引用本文: 祁英文, 彭超, 夏亞穆, 徐堃, 汪志偉, 柴琛. 木脂素1對人胃癌細胞株SGC-7901體外抗腫瘤作用. 中國普外基礎與臨床雜志, 2016, 23(10): 1204-1208. doi: 10.7507/1007-9424.20160309 復制
牛蒡子為菊科植物牛蒡Arctium lappa L的干燥成熟果實,具有疏散風熱、宣肺透疹和解毒利咽功能[1]。自1993年Umehara等[2]發現從牛蒡子中提取的牛蒡子素A、牛蒡子素B、牛蒡子素C和牛蒡子酚C具有良好的抗腫瘤活性后,不斷有新的木脂素類化合物從牛蒡子中提取,并且證明具有良好的生物活性。本研究探討了新型合成的牛蒡子活性成分衍生物——木脂素1對體外培養的人胃癌細胞株SGC-7901增殖和凋亡的影響,并初步探討其抗腫瘤機理,為該化合物將來可能應用于臨床提供科學依據。
1 材料與方法
1.1 藥品與試劑
木脂素1由青島科技大學合成提供[3]。人胃癌細胞株SGC-7901購置于上海生命科學院,按培養要求進行培養。DMEM(高糖)培養基和胎牛血清購于HYCLONE公司。四甲基偶氮唑(MTT)購置于美國Sigma公司,用磷酸鹽緩沖液(PBS)稀釋成5g/L,于-20 ℃避光保存。Annexin V-FITC/PI試劑盒購置于德國Bender公司。Caspase3、Bcl-2及Bax單克隆抗體均購置于Affinity公司。
1.2 儀器
CO2培養箱、超凈工作臺、酶標儀及倒置顯微鏡購于美國Thermo Formats公司,96孔細胞培養板和25 mL細胞培養瓶購于美國Corning公司。
1.3 觀察指標及方法
1.3.1 細胞培養
SGC-7901細胞采用含10%胎牛血清、青霉素(1×104 U/L)和鏈霉素(100 mg/mL)的DMEM(高糖)培養,置于37 ℃、5% CO2孵育箱中培養,取對數生長期細胞用于實驗。
1.3.2 木脂素1對SGC-7901細胞增殖抑制作用的觀察
取對數生長期的SGC-7901細胞,按每孔5 000個種植在96孔板中,37 ℃培養箱中過夜,第2天加入已配好的不同濃度的木脂素1,使其終濃度為20、10、5、2.5和1.25 μg/mL。查閱相關文獻表明,1%二甲基亞砜(DMSO)濃度對7901細胞沒有毒性,并且在實驗過程中進行了驗證,含1%DMSO的培養基與不含DMSO的培養基培養7901,對細胞增殖的影響無統計學意義。因此,本研究以1% DMSO處理的細胞組作為對照組,每組設5個復孔,同時設置空白組(只加培養基,無細胞)。于24、48和72 h后每孔加入20 μL配好的MTT溶液,繼續放入CO2孵箱中4 h,棄去培養基,加入150 μL DMSO震蕩10 min,用酶標儀檢測570 nm處吸光度值(A值),并繪制相應的抑制率-時間-對數濃度曲線,采用GraphPad Prism 5軟件計算藥物的半數抑制濃度(IC50)。
1.3.3 木脂素1對SGC-7901細胞凋亡影響的觀察
從MTT結果顯示,隨著藥物濃度的增加,木脂素1作用SGC-7901細胞72 h時抑制率更強,但初期通過流式細胞儀對細胞凋亡的影響觀察,作用72 h時,大部分細胞處于右上象限,即大部分細胞處于晚期凋亡或者已死亡,影響觀測結果,故選用48 h。取對數生長期的SGC-7901細胞,按每孔3×104個種植在6孔板中,37 ℃培養箱中過夜,第2天用配好的不同濃度(20、10、5和2.5 μg/mL)的木脂素1處理48 h,收集細胞,采用離心半徑為5 cm的離心機800 r/min離心5 min,冷PBS重懸洗滌細胞3遍,用200 μL分別含有5 μL Annxin V-FITC和5 μL PI的Binding buffer(結合液)重懸混勻細胞,室溫避光孵育15 min,流式細胞儀檢測。
1.3.4 木脂素1對SGC-7901細胞周期影響的觀察
取對數生長期的SGC-7901細胞,按每孔3×104個種植在6孔板中,37 ℃培養箱中過夜,第2天用配好的不同濃度(20、10、5和2.5 μg/mL)的木脂素1處理48 h,收集細胞,采用離心半徑為5 cm的離心機800 r/min離心5 min,冷PBS重懸洗滌細胞3遍,然后用50 μg/mL的碘化吡啶染色,在核糖核酸酶A存在的條件下在37 ℃作用30 min。用流式細胞儀記錄10 000個細胞的細胞周期,然后用Flowjo軟件分析細胞在G0/G1期、S期和G2/M期的百分比。
1.3.5 木脂素1對SGC-7901細胞蛋白表達影響的觀察
取對數生長期的SGC-7901細胞,按每孔3×104個種植在6孔板中,37 ℃培養箱中過夜,第2天用配好的不同濃度(20、10、5和2.5 μg/mL)的木脂素1處理48 h,收集裂解細胞,蛋白定量,98 ℃蛋白變性5 min,SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳、轉膜、封閉、相應一抗孵育過夜、PBST洗滌3次,每次10 min,室溫下孵育二抗1 h,PBST洗滌3次,每次10 min,用化學發光法進行曝光顯影。
1.4 統計學方法
統計分析使用SPSS 22.0軟件完成。計量資料用均數±標準差(x±s)表示,不同樣品間使用單因素方差分析。檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 木脂素1對SGC-7901細胞增殖抑制作用觀察結果
使用不同濃度木脂素1處理SGC-7901細胞48 h后,在倒置顯微鏡下觀察,見SGC-7901細胞萎縮、變圓,并且隨著藥物濃度的增加,貼壁細胞數明顯減少(圖 1)。不同濃度的木脂素1處理SGC-7901細胞24、48及72 h后,MTT法檢測結果顯示,隨時間增長和劑量增大,木脂素1抑制SGC-7901細胞增殖的能力逐漸增強(P < 0.05),見圖 2;其IC50為4.19 μg/mL。


2.2 木脂素1誘導SGC-7901細胞凋亡情況觀察結果
不同濃度木脂素1處理SGC-7901細胞48 h后,流式細胞術檢測細胞凋亡結果顯示,隨著木脂素1濃度的增高,SGC-7901細胞凋亡率也增高(P < 0.05),見圖 3及圖 4。


2.3 木脂素1對SGC-7901細胞周期影響的觀察結果
不同濃度木脂素1處理SGC-7901細胞48 h后PI染色,流式細胞術檢測細胞周期,其結果顯示:隨著木脂素1濃度的增加,處于細胞周期G2/M期細胞的比例明顯增加(P < 0.05),提示細胞周期阻滯在G2/M期。見圖 5及圖 6。


2.4 木脂素1對SGC-7901細胞凋亡相關蛋白表達影響的觀察結果
不同濃度木脂素1處理SGC-7901細胞48 h后,能明顯增加SGC-7901細胞的Caspase3和Bax蛋白的表達,而降低Bcl-2蛋白的表達(圖 7及圖 8)。


3 討論
胃癌是癌癥相關死亡的主要原因之一,超過70%的胃癌患者分布于發展中國家[4-5]。隨著對胃癌診斷和治療的研究進展,胃癌患者生存率已有明顯改善,但總體預后仍然很差。手術切除是唯一可以治愈胃癌的方法,但術后復發率高。隨著新輔助化療和個體化治療的臨床應用,尋找高效、低毒的化療藥物迫在眉睫。
牛蒡子是傳統中藥材,具有抗腫瘤、抗菌、抗炎、保肝等生物活性[7]。對牛蒡子的研究主要集中于成分提取和牛蒡子苷及牛蒡苷元的研究[2, 8-12]。木脂素類化合物是牛蒡子中重要的活性成分[13],其結構類型豐富并廣泛存在于自然界中。對木脂素類化合物的提取及合成研究發現,此類化合物具有良好的抗腫瘤活性[10, 14-20]。本研究對人工合成的木脂素1通過體外實驗研究其抗胃癌細胞株SGC-7901的增殖活性。
細胞異常增殖與細胞凋亡調控的紊亂是腫瘤發生、發展的重要因素,抑制腫瘤細胞增殖及誘導腫瘤細胞凋亡是化療藥物治療腫瘤的機理之一。本實驗結果發現,木脂素1具有明顯抑制胃癌細胞株SGC-7901細胞增殖的作用,且具有時間-劑量依賴性(P < 0.05)。細胞周期分為靜止期(G0)和增殖期(包括G1、S期、G2期和M期),其轉換受到周期蛋白依賴激酶以及周期蛋白的調控,其調控機理復雜。木脂素1作用SGC-7901細胞48 h后,SGC-7901細胞周期發生顯著變化。G0/G1期細胞比率顯著降低,G2/M期細胞比率顯著增加(P < 0.05)。以上結果提示:木脂素1可誘導SGC-7901細胞發生G2/M期阻滯,從而抑制胃癌細胞株SGC-7901的增殖。
細胞凋亡是一種主動的由基因控制的程序性細胞死亡,具有重要的生理意義。細胞凋亡信號異常是導致腫瘤發生的機理之一[21]。Caspase3是細胞凋亡的效應因子,在細胞凋亡中處于核心地位[22]。研究發現,Caspase3的激活預示著細胞凋亡執行的開始[23],通過降解與細胞結構、細胞周期調控、DNA修復等相關蛋白,最終發生細胞凋亡[24]。Isobe等[25]對151例胃癌切除標本中Caspase3蛋白表達水平的檢測結果顯示,胃癌細胞可通過抑制Caspase3蛋白的表達而抑制凋亡。本實驗結果顯示,隨著木脂素1濃度的增加,Caspase3蛋白表達增高,與對照組相比差異具有統計學意義(P < 0.05)。據此推測木脂素1可能通過激活Caspase3導致胃癌細胞株SGC-7901發生凋亡。
Bcl-2家族蛋白是細胞凋亡中重要的調控因子,在細胞凋亡線粒體途徑中發揮重要的調控作用。Bcl-2家族蛋白分為兩類:一類為抗凋亡蛋白,主要包括Bcl-2、Bcl-XL、Bcl-W等;另一類為促凋亡蛋白,主要包括Bax、BaK、Bcl-XS等。Bcl-2是最重要的抑制凋亡基因,而Bax基因的過表達則促進細胞凋亡,并且抑制Bcl-2的抗凋亡作用[26]。本實驗結果顯示,隨著木脂素1濃度的增加,Bcl-2蛋白表達降低而Bax蛋白表達增高。由此提示,木脂素1還可通過高表達Bax、抑制Bcl-2的表達,通過調控線粒體途徑,促進胃癌細胞株SGC-7901發生凋亡。
綜上所述,木脂素1具有良好的抗胃癌細胞株SGC-7901增殖作用,其誘導SGC-7901細胞發生凋亡的機理與激活Caspase3、高表達Bax和抑制Bcl-2表達有關。在未來的研究中,將進一步探討木脂素1在體內的抗腫瘤活性,并且通過藥物化學手段對其結構進行改造,以期獲得高效、低毒的衍生物,為胃癌化療提供更多選擇。
牛蒡子為菊科植物牛蒡Arctium lappa L的干燥成熟果實,具有疏散風熱、宣肺透疹和解毒利咽功能[1]。自1993年Umehara等[2]發現從牛蒡子中提取的牛蒡子素A、牛蒡子素B、牛蒡子素C和牛蒡子酚C具有良好的抗腫瘤活性后,不斷有新的木脂素類化合物從牛蒡子中提取,并且證明具有良好的生物活性。本研究探討了新型合成的牛蒡子活性成分衍生物——木脂素1對體外培養的人胃癌細胞株SGC-7901增殖和凋亡的影響,并初步探討其抗腫瘤機理,為該化合物將來可能應用于臨床提供科學依據。
1 材料與方法
1.1 藥品與試劑
木脂素1由青島科技大學合成提供[3]。人胃癌細胞株SGC-7901購置于上海生命科學院,按培養要求進行培養。DMEM(高糖)培養基和胎牛血清購于HYCLONE公司。四甲基偶氮唑(MTT)購置于美國Sigma公司,用磷酸鹽緩沖液(PBS)稀釋成5g/L,于-20 ℃避光保存。Annexin V-FITC/PI試劑盒購置于德國Bender公司。Caspase3、Bcl-2及Bax單克隆抗體均購置于Affinity公司。
1.2 儀器
CO2培養箱、超凈工作臺、酶標儀及倒置顯微鏡購于美國Thermo Formats公司,96孔細胞培養板和25 mL細胞培養瓶購于美國Corning公司。
1.3 觀察指標及方法
1.3.1 細胞培養
SGC-7901細胞采用含10%胎牛血清、青霉素(1×104 U/L)和鏈霉素(100 mg/mL)的DMEM(高糖)培養,置于37 ℃、5% CO2孵育箱中培養,取對數生長期細胞用于實驗。
1.3.2 木脂素1對SGC-7901細胞增殖抑制作用的觀察
取對數生長期的SGC-7901細胞,按每孔5 000個種植在96孔板中,37 ℃培養箱中過夜,第2天加入已配好的不同濃度的木脂素1,使其終濃度為20、10、5、2.5和1.25 μg/mL。查閱相關文獻表明,1%二甲基亞砜(DMSO)濃度對7901細胞沒有毒性,并且在實驗過程中進行了驗證,含1%DMSO的培養基與不含DMSO的培養基培養7901,對細胞增殖的影響無統計學意義。因此,本研究以1% DMSO處理的細胞組作為對照組,每組設5個復孔,同時設置空白組(只加培養基,無細胞)。于24、48和72 h后每孔加入20 μL配好的MTT溶液,繼續放入CO2孵箱中4 h,棄去培養基,加入150 μL DMSO震蕩10 min,用酶標儀檢測570 nm處吸光度值(A值),并繪制相應的抑制率-時間-對數濃度曲線,采用GraphPad Prism 5軟件計算藥物的半數抑制濃度(IC50)。
1.3.3 木脂素1對SGC-7901細胞凋亡影響的觀察
從MTT結果顯示,隨著藥物濃度的增加,木脂素1作用SGC-7901細胞72 h時抑制率更強,但初期通過流式細胞儀對細胞凋亡的影響觀察,作用72 h時,大部分細胞處于右上象限,即大部分細胞處于晚期凋亡或者已死亡,影響觀測結果,故選用48 h。取對數生長期的SGC-7901細胞,按每孔3×104個種植在6孔板中,37 ℃培養箱中過夜,第2天用配好的不同濃度(20、10、5和2.5 μg/mL)的木脂素1處理48 h,收集細胞,采用離心半徑為5 cm的離心機800 r/min離心5 min,冷PBS重懸洗滌細胞3遍,用200 μL分別含有5 μL Annxin V-FITC和5 μL PI的Binding buffer(結合液)重懸混勻細胞,室溫避光孵育15 min,流式細胞儀檢測。
1.3.4 木脂素1對SGC-7901細胞周期影響的觀察
取對數生長期的SGC-7901細胞,按每孔3×104個種植在6孔板中,37 ℃培養箱中過夜,第2天用配好的不同濃度(20、10、5和2.5 μg/mL)的木脂素1處理48 h,收集細胞,采用離心半徑為5 cm的離心機800 r/min離心5 min,冷PBS重懸洗滌細胞3遍,然后用50 μg/mL的碘化吡啶染色,在核糖核酸酶A存在的條件下在37 ℃作用30 min。用流式細胞儀記錄10 000個細胞的細胞周期,然后用Flowjo軟件分析細胞在G0/G1期、S期和G2/M期的百分比。
1.3.5 木脂素1對SGC-7901細胞蛋白表達影響的觀察
取對數生長期的SGC-7901細胞,按每孔3×104個種植在6孔板中,37 ℃培養箱中過夜,第2天用配好的不同濃度(20、10、5和2.5 μg/mL)的木脂素1處理48 h,收集裂解細胞,蛋白定量,98 ℃蛋白變性5 min,SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳、轉膜、封閉、相應一抗孵育過夜、PBST洗滌3次,每次10 min,室溫下孵育二抗1 h,PBST洗滌3次,每次10 min,用化學發光法進行曝光顯影。
1.4 統計學方法
統計分析使用SPSS 22.0軟件完成。計量資料用均數±標準差(x±s)表示,不同樣品間使用單因素方差分析。檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 木脂素1對SGC-7901細胞增殖抑制作用觀察結果
使用不同濃度木脂素1處理SGC-7901細胞48 h后,在倒置顯微鏡下觀察,見SGC-7901細胞萎縮、變圓,并且隨著藥物濃度的增加,貼壁細胞數明顯減少(圖 1)。不同濃度的木脂素1處理SGC-7901細胞24、48及72 h后,MTT法檢測結果顯示,隨時間增長和劑量增大,木脂素1抑制SGC-7901細胞增殖的能力逐漸增強(P < 0.05),見圖 2;其IC50為4.19 μg/mL。


2.2 木脂素1誘導SGC-7901細胞凋亡情況觀察結果
不同濃度木脂素1處理SGC-7901細胞48 h后,流式細胞術檢測細胞凋亡結果顯示,隨著木脂素1濃度的增高,SGC-7901細胞凋亡率也增高(P < 0.05),見圖 3及圖 4。


2.3 木脂素1對SGC-7901細胞周期影響的觀察結果
不同濃度木脂素1處理SGC-7901細胞48 h后PI染色,流式細胞術檢測細胞周期,其結果顯示:隨著木脂素1濃度的增加,處于細胞周期G2/M期細胞的比例明顯增加(P < 0.05),提示細胞周期阻滯在G2/M期。見圖 5及圖 6。


2.4 木脂素1對SGC-7901細胞凋亡相關蛋白表達影響的觀察結果
不同濃度木脂素1處理SGC-7901細胞48 h后,能明顯增加SGC-7901細胞的Caspase3和Bax蛋白的表達,而降低Bcl-2蛋白的表達(圖 7及圖 8)。


3 討論
胃癌是癌癥相關死亡的主要原因之一,超過70%的胃癌患者分布于發展中國家[4-5]。隨著對胃癌診斷和治療的研究進展,胃癌患者生存率已有明顯改善,但總體預后仍然很差。手術切除是唯一可以治愈胃癌的方法,但術后復發率高。隨著新輔助化療和個體化治療的臨床應用,尋找高效、低毒的化療藥物迫在眉睫。
牛蒡子是傳統中藥材,具有抗腫瘤、抗菌、抗炎、保肝等生物活性[7]。對牛蒡子的研究主要集中于成分提取和牛蒡子苷及牛蒡苷元的研究[2, 8-12]。木脂素類化合物是牛蒡子中重要的活性成分[13],其結構類型豐富并廣泛存在于自然界中。對木脂素類化合物的提取及合成研究發現,此類化合物具有良好的抗腫瘤活性[10, 14-20]。本研究對人工合成的木脂素1通過體外實驗研究其抗胃癌細胞株SGC-7901的增殖活性。
細胞異常增殖與細胞凋亡調控的紊亂是腫瘤發生、發展的重要因素,抑制腫瘤細胞增殖及誘導腫瘤細胞凋亡是化療藥物治療腫瘤的機理之一。本實驗結果發現,木脂素1具有明顯抑制胃癌細胞株SGC-7901細胞增殖的作用,且具有時間-劑量依賴性(P < 0.05)。細胞周期分為靜止期(G0)和增殖期(包括G1、S期、G2期和M期),其轉換受到周期蛋白依賴激酶以及周期蛋白的調控,其調控機理復雜。木脂素1作用SGC-7901細胞48 h后,SGC-7901細胞周期發生顯著變化。G0/G1期細胞比率顯著降低,G2/M期細胞比率顯著增加(P < 0.05)。以上結果提示:木脂素1可誘導SGC-7901細胞發生G2/M期阻滯,從而抑制胃癌細胞株SGC-7901的增殖。
細胞凋亡是一種主動的由基因控制的程序性細胞死亡,具有重要的生理意義。細胞凋亡信號異常是導致腫瘤發生的機理之一[21]。Caspase3是細胞凋亡的效應因子,在細胞凋亡中處于核心地位[22]。研究發現,Caspase3的激活預示著細胞凋亡執行的開始[23],通過降解與細胞結構、細胞周期調控、DNA修復等相關蛋白,最終發生細胞凋亡[24]。Isobe等[25]對151例胃癌切除標本中Caspase3蛋白表達水平的檢測結果顯示,胃癌細胞可通過抑制Caspase3蛋白的表達而抑制凋亡。本實驗結果顯示,隨著木脂素1濃度的增加,Caspase3蛋白表達增高,與對照組相比差異具有統計學意義(P < 0.05)。據此推測木脂素1可能通過激活Caspase3導致胃癌細胞株SGC-7901發生凋亡。
Bcl-2家族蛋白是細胞凋亡中重要的調控因子,在細胞凋亡線粒體途徑中發揮重要的調控作用。Bcl-2家族蛋白分為兩類:一類為抗凋亡蛋白,主要包括Bcl-2、Bcl-XL、Bcl-W等;另一類為促凋亡蛋白,主要包括Bax、BaK、Bcl-XS等。Bcl-2是最重要的抑制凋亡基因,而Bax基因的過表達則促進細胞凋亡,并且抑制Bcl-2的抗凋亡作用[26]。本實驗結果顯示,隨著木脂素1濃度的增加,Bcl-2蛋白表達降低而Bax蛋白表達增高。由此提示,木脂素1還可通過高表達Bax、抑制Bcl-2的表達,通過調控線粒體途徑,促進胃癌細胞株SGC-7901發生凋亡。
綜上所述,木脂素1具有良好的抗胃癌細胞株SGC-7901增殖作用,其誘導SGC-7901細胞發生凋亡的機理與激活Caspase3、高表達Bax和抑制Bcl-2表達有關。在未來的研究中,將進一步探討木脂素1在體內的抗腫瘤活性,并且通過藥物化學手段對其結構進行改造,以期獲得高效、低毒的衍生物,為胃癌化療提供更多選擇。