楊建林, 田家俊, 張 浩, 陳倩影, 呂亞豐, 曹春雨
(三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院, 腫瘤微環(huán)境與免疫治療湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 宜昌 443002)
惡性腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和侵襲轉(zhuǎn)移與腫瘤細(xì)胞中高多胺含量和多胺代謝異常密切相關(guān),因此近年來多胺代謝途徑成為抗腫瘤防治的研究熱點(diǎn)被廣泛重視[1,2],精胺氧化酶(spermine oxidase, SMO)是多胺代謝途徑中的關(guān)鍵酶,對維持細(xì)胞中多胺含量和代謝的穩(wěn)態(tài)起重要作用。已有研究報(bào)道[3-5],高表達(dá)SMO是多種惡性腫瘤的重要誘發(fā)因素和預(yù)后不良的指征,與胃腸癌、前列腺癌和結(jié)腸癌等惡性腫瘤的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。因此作為抗腫瘤藥物研發(fā)的重要方向之一,尋找靶向SMO抑制劑受到廣泛關(guān)注[6]。本實(shí)驗(yàn)室前期研究發(fā)現(xiàn),小分子SI-4650作為一種新型SMO抑制劑,能通過有效抑制SMO活性,干擾細(xì)胞多胺代謝、耗竭多胺含量等機(jī)制發(fā)揮對人非小細(xì)胞肺癌A549細(xì)胞的抗腫瘤活性[7]。本研究針對人卵巢癌SKVO-3細(xì)胞,驗(yàn)證SI-4650是否能同樣對人卵巢癌SKVO-3細(xì)胞發(fā)揮抗腫瘤活性,并探究其相應(yīng)的機(jī)制。為人卵巢癌臨床治療藥物研發(fā)和抗腫瘤研究提供新的線索。
人卵巢腺癌細(xì)胞SKVO-3細(xì)胞購于上海中國科學(xué)院細(xì)胞庫,SI-4650 購自荷蘭Specs生物特殊化合物公司,細(xì)胞培養(yǎng)相關(guān)試劑(DMEM細(xì)胞培養(yǎng)基、胎牛血清、雙抗等)均購自美國Gibco公司,二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide,DMSO)購自美國Sigma公司,凋亡途徑相關(guān)蛋白(Bax、Bcl-2)、EMT途徑相關(guān)蛋白(Vimentin、E-Cadherin、N-Cadherin)、基質(zhì)金屬蛋白酶MMP2、MMP9等抗體均購自Proteintech公司, 各類檢測試劑盒(CCK8檢測試劑盒、PI/FITC-Annexin V雙染凋亡檢測試劑盒、ROS檢測試劑盒、JC-1檢測試劑盒)均為上海碧云天生物科技有限公司產(chǎn)品,Transwell Permeable Supports 為美國Corning公司產(chǎn)品。
人卵巢癌SKVO3細(xì)胞用DMEM完全培養(yǎng)基(含10%FBS、100 U/ml 青霉素、100 μmol/L鏈霉素)在5%CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱中37℃培養(yǎng)。分別用SI-4650(終濃度0、15、30、60、120 μmol/L)處理細(xì)胞24、48、72 h,同時(shí)設(shè)有無細(xì)胞的空白組。按照CCK8試劑盒說明書操作,加入CCK8試劑37℃孵育1 h,450 nm波長處檢測每孔吸光度A值。SKVO-3細(xì)胞生長抑制率=[1-(A藥物處理組- A空白組)/(A未加藥組- A空白組)]×100%。
將對數(shù)生長期SKVO-3細(xì)胞隨機(jī)分為3組:正常對照組(未加藥)和藥物低、高濃度(根據(jù)上步CCK8實(shí)驗(yàn)結(jié)果, SI-4650終濃度分別為30,60 μmol/L)實(shí)驗(yàn)組,每組設(shè)置3個(gè)復(fù)孔,均培養(yǎng)48 h,用于后續(xù)機(jī)制研究實(shí)驗(yàn)。
化學(xué)發(fā)光法直接檢測SKVO-3細(xì)胞內(nèi)SMO的酶活性實(shí)驗(yàn):參照文獻(xiàn) [8],將3個(gè)組細(xì)胞分別加入甘氨酸溶液(0.083 mol/L, pH 8.0)放置于-80℃冰箱中24 h,低溫高速離心,取相等蛋白質(zhì)含量的各組細(xì)胞上清液,檢測其中酶促反應(yīng)產(chǎn)物引起的化學(xué)發(fā)光物質(zhì)熒光強(qiáng)度,用相同蛋白質(zhì)量(mg)和時(shí)間(s)內(nèi)的熒光強(qiáng)度(RLU)表示細(xì)胞中SMO酶活性(RLU.mg/(protein.s))。
流式細(xì)胞儀檢測SMO酶促反應(yīng)產(chǎn)物ROS含量實(shí)驗(yàn):將3個(gè)組細(xì)胞按照ROS活性氧檢測試劑盒說明書操作,無熒光的DCFH-DA進(jìn)入細(xì)胞,經(jīng)胞內(nèi)的酯酶水解和ROS氧化轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袩晒獾腄CF,流式細(xì)胞儀檢測DFC熒光強(qiáng)度表示細(xì)胞內(nèi)活性氧的含量。
收集3個(gè)組細(xì)胞裂解后低溫離心,取相等蛋白含量的各組細(xì)胞裂解上清液,用ddH2O補(bǔ)足體積,依次加入10 μl苯甲酰氯、20 μl DAH(1 mmol/L)、500 μl NaOH(2 mol/L)混勻后30℃水浴,加入NaCl飽和溶液終止反應(yīng),用乙醚混勻萃取3次,將萃取物用 1 ml甲醇溶解過濾。以Luna C18色譜柱為固定相, 38∶62比例混合的乙腈-水為流動相,254 nm 波長下檢測萃取物的吸光度值,繪制流出曲線。計(jì)算單位蛋白質(zhì)量(mg)中多胺的濃度(μmol)來表示樣品中多胺的含量(μmol.mg/protein)。
將3個(gè)組細(xì)胞用DMEM培養(yǎng)基(含0.2% BSA)重懸。24孔細(xì)胞培養(yǎng)板中加入800 μl/well的DMEM培養(yǎng)基(含20% FBS),將檢測遷移能力的Transwell小室和檢測侵襲能力鋪有基質(zhì)膠的Transwell小室放入24孔板中,并分別加入收集的3個(gè)組細(xì)胞,置37℃、5% CO2培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)18 h,將小室依次多聚甲醛(4%)固定,結(jié)晶紫染色,擦除膜內(nèi)側(cè)細(xì)胞并洗滌后,倒置顯微鏡下觀察穿過小室膜孔的細(xì)胞并拍照。
將3個(gè)組細(xì)胞分別用PBS配置的 75%乙醇固定過夜,離心收集細(xì)胞,加入500 μl PBS(0.1% TritonX-100、50 μg/L Rnase、0.02 g/L PI)重懸細(xì)胞,避光孵育30 min,流式細(xì)胞儀檢測處于不同細(xì)胞周期的細(xì)胞比例。
流式細(xì)胞術(shù)檢測凋亡細(xì)胞率實(shí)驗(yàn):收集3個(gè)組細(xì)胞,按照PI/FITC-Annexin V試劑盒說明書,每樣品中加入5 μl FITC-Annexin V和5 μl PI室溫避光孵育15 min,流式細(xì)胞儀檢測細(xì)胞凋亡率。
流式細(xì)胞術(shù)檢測線粒體膜電位實(shí)驗(yàn):按照J(rèn)C-1試劑盒說明書操作,當(dāng)細(xì)胞線粒體膜電位由強(qiáng)變?nèi)鯐r(shí),原本聚集在線粒體基質(zhì)中的JC-1聚合物解聚,以單體形式出現(xiàn)細(xì)胞中,發(fā)出綠色熒光。通過檢測單體JC-1綠色熒光強(qiáng)度可確定線粒體膜電位的變化。
收集3個(gè)組細(xì)胞裂解離心后,取相等蛋白含量的各組細(xì)胞裂解上清液,經(jīng)電泳、電轉(zhuǎn)印,5%脫脂牛奶封閉后,用目的蛋白抗體孵育PVDF膜結(jié)合過夜,再加入對應(yīng)二抗孵育2 h,化學(xué)發(fā)光法顯影拍照并灰度分析,目的蛋白灰度/β-actin蛋白灰度表示目的蛋白相對表達(dá)量。
細(xì)胞增值實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(表1),隨SI-4650劑量增加和時(shí)間的延長,對SKVO-3細(xì)胞增殖抑制效率逐漸增加(P<0.01)。SI-4650處理SKVO-3細(xì)胞48 h,計(jì)算其IC50值為(68.13±5.48)μmol/L。因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中設(shè)定,SI-4650終濃度為30 μmol/L(低濃度實(shí)驗(yàn)組)和60 μmol/L(高濃度實(shí)驗(yàn)組)處理48 h的SKVO-3細(xì)胞為實(shí)驗(yàn)組,以未加藥細(xì)胞(以0 μmol/L SI-4650表示)為正常對照組。
Tab. 1 Effects of SI-4650 on the proliferation rate of SKVO-3 cells(%,ˉ n=3)
HPLC分析表明,對照組中未檢測到SI-4650,實(shí)驗(yàn)組中隨培養(yǎng)基中SI-4650濃度的增加,SKVO3細(xì)胞中SI-4650含量也逐漸增加(P<0.01,表2)。
如表2所示,SI-4650能顯著性抑制SKVO-3細(xì)胞中SMO的酶活性,使之從3362.45(RLU)RLU/(mg·s)下降至1413.26(RLU)RLU/(mg·s)。HPLC結(jié)果也證實(shí)SMO酶促反應(yīng)產(chǎn)物Spd含量從2.11 μmol/mg顯著減少至0.92 μmol/mg(表3),流式細(xì)胞儀檢測DFC熒光強(qiáng)度下降,也證實(shí)另一種酶促反應(yīng)產(chǎn)物ROS隨SI-4650增加而減少(表2 )。同時(shí)可見,細(xì)胞中總多胺含量呈濃度依賴性顯著下降(表3),與對照組相比較,以上結(jié)果均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。提示SI-4650可有效進(jìn)入SKVO-3腫瘤細(xì)胞中,通過抑制SMO酶活性,干擾正常多胺代謝穩(wěn)態(tài),減少細(xì)胞總多胺含量發(fā)揮相應(yīng)生物學(xué)效應(yīng)。
Tab. 2 Effects of SI-4650 on SMO activity of SKVO-3 n=3)
Tab. 3 Effects of SI-4650 on intracellular polyamine contents of SKVO-3 cells(μmol.mg/protein, n=3)
Transwell分析結(jié)果表明,SI-4650處理后,SKVO-3細(xì)胞的侵襲和遷移能力明顯下降(P<0.01,圖1)。細(xì)胞上皮細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial to mesenchymal transition, EMT)相關(guān)蛋白表達(dá)水平的分析結(jié)果顯示,隨SI-4650濃度增加,SKVO-3細(xì)胞中上皮細(xì)胞表型標(biāo)志物鈣粘蛋白(E-cadherin)相對表達(dá)量增加,而間質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物鈣粘蛋白(N-cadherin)和波形蛋白(Vimentin)相對表達(dá)量明顯減少,基質(zhì)金屬蛋白酶MMP-2、MMP-9的相對表達(dá)水平也顯著降低(P<0.01,圖2、表4)。提示SI-4650抑制SKVO-3細(xì)胞的侵襲、遷移能力,機(jī)制可能與抑制SKVO-3細(xì)胞上皮細(xì)胞間質(zhì)化進(jìn)程相關(guān)。
Fig. 1 Effects of SI-4650 on invasion and migration of SKVO-3 cells
Fig. 2 Effects of SI-4650 onthe expressions of EMT-related proteins in SKVO-3 cells
流式細(xì)胞術(shù)檢測結(jié)果表明,SI-4650處理可引起G0/G1期細(xì)胞數(shù)量從(50.54±2.17)%減少為 (30.09±1.34)%,而S期細(xì)胞數(shù)量從(25.50± 2.04)%明顯增多至(42.12±3.76)%,呈濃度依賴性改變(表5),與對照組相比,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),提示SI-4650可誘導(dǎo)SKVO-3細(xì)胞發(fā)生S周期阻滯,抑制細(xì)胞增殖。
Tab. 4 Effects of SI-4650 on EMT-related protein expressions of SKVO-3 n=3)
Tab. 5 Effects of SI-4650 on cell cycle of SKVO-3 cells(%, n=3)
流式細(xì)胞儀檢測凋亡細(xì)胞比例實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SI-4650處理后,隨藥物濃度增高FITC-Annexin V(+)的凋亡細(xì)胞比例從0.41%逐漸增多至43.51%(圖3),與正常對照組相比,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),提示SI-4650可誘導(dǎo)SKVO-3細(xì)胞發(fā)生凋亡。進(jìn)一步Western blot分析證實(shí)(圖4,表6),SKVO-3細(xì)胞中Bax表達(dá)上調(diào)、Bcl-2表達(dá)下調(diào),Bax/Bcl-2比值升高,Caspase3剪切增多,活性小片段c-Caspase3增加,灰度分析差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。此外流式細(xì)胞儀檢測SKVO-3細(xì)胞線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential, MMP)結(jié)果顯示,隨著SI-4650濃度的逐漸增高,線粒體膜電位逐漸降低(P<0.01,表7)。以上結(jié)果提示,SI-4650誘導(dǎo)SKVO-3細(xì)胞發(fā)生線粒體依賴的內(nèi)源性細(xì)胞凋亡。
Fig. 3 Effects of SI-4650 on apoptosis of SKVO-3 cells
Fig. 4 Effects of SI-4650 on the expressions of apoptosis-related proteins in SKVO-3 cells
在婦科惡性腫瘤中,卵巢癌由于發(fā)生位置不易覺察,癥狀不明顯,導(dǎo)致患者就診時(shí)多為晚期癥狀且出現(xiàn)腫瘤轉(zhuǎn)移。手術(shù)和化療等方式治療后,仍有超過50%患者轉(zhuǎn)移復(fù)發(fā),五年生存率低于50%[9]。因此急需研發(fā)高效抗人卵巢癌的新型藥物用于臨床治療。
細(xì)胞中多胺(polyamine, PA)由精脒(spermidine, Spd)、精胺(spermine, Spm)和腐胺(putrescine, Put)組成,是存在于所有真核細(xì)胞中的陽離子烷基胺,對細(xì)胞增殖、分化、發(fā)育等重要生理過程至關(guān)重要[10]。SMO在多胺代謝途徑中,以Spm為底物,催化產(chǎn)生Spd、3-氨基丙醛和H2O2[11]。研究報(bào)道在幽門螺桿菌感染誘發(fā)胃癌的過程中,胃上皮細(xì)胞SMO高表達(dá),酶促反應(yīng)產(chǎn)物3-氨基丙醛轉(zhuǎn)化成的丙烯醛和H2O2的大量產(chǎn)生是導(dǎo)致細(xì)胞DNA受損,成為誘發(fā)胃癌的重要因素;抑制SMO則顯著減弱組織細(xì)胞DNA損傷,降低胃癌發(fā)生的幾率[12]。此外,SMO與前列腺癌、結(jié)腸癌和肺癌等惡性腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及預(yù)后均密切相關(guān)[3-5]。SI-4650是本課題組前期篩選獲得的一種靶向SMO的新型小分子抑制劑,為探索SI-4650是否具有抗人卵巢癌的藥理學(xué)活性及其潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值,本研究分析了SI-
Tab. 6 Effects of SI-4650 on apoptosis-related protein expressions and mitochondrial function of SKVO-3 n=3)
4650對人卵巢癌SKVO-3細(xì)胞可能的抗腫瘤作用,及其對多胺代謝、細(xì)胞周期、誘導(dǎo)凋亡、侵襲和遷移的影響。
結(jié)合HPLC、流式細(xì)胞儀檢測等實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本研究首先證實(shí)SMO的靶向抑制劑SI-4650能夠進(jìn)入SKVO-3細(xì)胞內(nèi),發(fā)揮SMO抑制劑的作用,阻滯SMO催化的酶促反應(yīng),導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物Spd和ROS含量下降,以及總多胺含量的減少。但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),SMO 酶促反應(yīng)底物Spm含量并未升高,反而明顯下降,我們推測由于SI-4650顯著抑制SMO酶活性,干擾多胺代謝正常途徑,打破細(xì)胞多胺含量和代謝穩(wěn)態(tài),從而激活細(xì)胞多胺跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng),引起堆積的Spm等多胺成分經(jīng)細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)至胞外,更進(jìn)一步加重細(xì)胞中總多胺下降程度,其真正的機(jī)制有待進(jìn)一步研究。鑒于減少細(xì)胞中多胺含量可有效抑制腫瘤細(xì)胞增殖[13],本研究進(jìn)一步探究了SI-4650對SKVO-3細(xì)胞增殖作用的影響。CCK8實(shí)驗(yàn)證實(shí),SI-4650顯著抑制人卵巢癌SKVO-3細(xì)胞的增殖,處理SKVO-3細(xì)胞48 h的IC50值為(68.13±5.48)μmol/L。腫瘤細(xì)胞抑制率與SI-4650作用時(shí)間和劑量呈正相關(guān)性。以上結(jié)果提示SI-4650具有高效殺傷人卵巢癌SKVO-3腫瘤細(xì)胞的作用,其機(jī)制與SI-4650抑制SMO活性,干擾多胺代謝,降低腫瘤細(xì)胞中總多胺含量有關(guān)。
對SI-4650抗腫瘤機(jī)制研究發(fā)現(xiàn),SI-4650不僅引起SKVO-3細(xì)胞S期周期阻滯,同時(shí)誘導(dǎo)凋亡抑制蛋白Bcl-2表達(dá)減少而促凋亡蛋白Bax表達(dá)增加,Bax二聚體在線粒體膜聚集,引起膜通透性增加,線粒體電位降低,從而釋放出線粒體內(nèi)促凋亡因子,啟動Caspase級聯(lián)反應(yīng),剪切活化的c-Caspase-3增加,最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。以上結(jié)果與內(nèi)源性線粒體途徑凋亡特質(zhì)相一致[14],提示SI-4650抗腫瘤機(jī)制可能還有S期周期阻滯和誘導(dǎo)內(nèi)源性線粒體途徑凋亡。黃嬌嬌等[15,16]發(fā)現(xiàn)SI-4650對人黑素瘤A375、人結(jié)腸癌CT-26細(xì)胞的抗腫瘤機(jī)制包括細(xì)胞凋亡和自噬性死亡,但在本研究中并未見明顯自噬現(xiàn)象,可能與不同腫瘤細(xì)胞具有不同的遺傳背景,對SI-4650敏感性差異等相關(guān)。
腫瘤細(xì)胞向周圍組織浸潤擴(kuò)散和遠(yuǎn)端器官轉(zhuǎn)移決定其惡性度,也是腫瘤臨床治療的重點(diǎn)和難點(diǎn)。EMT是惡性腫瘤細(xì)胞發(fā)生侵襲和轉(zhuǎn)移的重要病理基礎(chǔ),與腫瘤細(xì)胞侵襲、遷移能力密切相關(guān)[17]。本研究發(fā)現(xiàn),與未使用SI-4650處理細(xì)胞相比較,SI-4650處理后,SKVO-3細(xì)胞表型更趨向運(yùn)動能力弱的上皮表型細(xì)胞,具體表現(xiàn)為E-cadherin相對表達(dá)量增加,N-cadherin、Vimentin相對表達(dá)量減少,SKVO-3細(xì)胞穿過Transwell膜孔的遷移能力明顯降低;同時(shí)細(xì)胞合成的基質(zhì)金屬蛋白酶MMP-2、MMP9減少,降解細(xì)胞外基質(zhì)的能力減弱,穿過Transwell基質(zhì)膠膜孔的侵襲能力也顯著下降。提示SI-4650有效抑制SKVO-3細(xì)胞侵襲、遷移能力,其機(jī)制與SI-4650抑制SKVO3細(xì)胞EMT進(jìn)程相關(guān)。有學(xué)者研究報(bào)道,多胺含量更高的腫瘤細(xì)胞可大量合成釋放如:絲氨酸蛋白酶、基質(zhì)金屬蛋白酶、組織蛋白酶等蛋白酶,進(jìn)而降解周圍組織,促使腫瘤細(xì)胞侵襲遷移,增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞惡性度[18]。本研究發(fā)現(xiàn)SI-4650抑制SMO酶活性,干擾多胺代謝,降低多胺含量,同時(shí)基質(zhì)金屬蛋白酶MMP-2和MMP-9表達(dá)顯著下降,與文獻(xiàn)報(bào)道相符。因此分析,SI-4650可能通過抑制腫瘤細(xì)胞的EMT進(jìn)程,腫瘤細(xì)胞向粘附力強(qiáng)的穩(wěn)定上皮細(xì)胞形態(tài)轉(zhuǎn)化,減弱運(yùn)動能力,降低腫瘤細(xì)胞降解細(xì)胞外基質(zhì)能力的方式,實(shí)現(xiàn)高效抑制人卵巢癌SKVO-3細(xì)胞侵襲、遷移。
本研究通過體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),證實(shí)SI-4650靶向性抑制多胺代謝途徑關(guān)鍵酶SMO的酶活性,一方面通過干擾多胺代謝,減少腫瘤細(xì)胞中多胺含量,抑制腫瘤細(xì)胞生長;一方面誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡直接殺傷腫瘤細(xì)胞;同時(shí)干擾腫瘤細(xì)胞的侵襲和遷移能力,通過多途徑共同發(fā)揮抗腫瘤作用。與其他抗腫瘤藥物相比較,SI-4650有可能實(shí)現(xiàn)更有效的抗腫瘤效應(yīng)。但SI-4650在機(jī)體中是否依舊有效,尚需進(jìn)一步研究。
綜上所述,本研究證實(shí)SI-4650作為一種新型SMO小分子抑制劑,可抑制人卵巢癌SKVO-3細(xì)胞的增殖、侵襲和遷移。其機(jī)制可能與通過抑制SMO活性、干擾多胺代謝引起的多胺含量減少有關(guān);SI-4650還可將細(xì)胞阻滯于S期、誘導(dǎo)內(nèi)源性線粒體途徑細(xì)胞凋亡發(fā)生以及阻滯腫瘤細(xì)胞EMT進(jìn)程,SI-4650在卵巢癌臨床治療上具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。