陳詩軍,陳曉,趙成嶺,王效靜,李昶,陳余清*
(1蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科,2蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院老年病科,呼吸系病基礎與臨床安徽省重點實驗室,蚌埠233000)
目前,肺癌嚴重危及著人類的生命健康,居常見惡性腫瘤死亡率之首,其主要的治療模式放療、化療、手術等,而靶向治療手段急需提高。雖然一部分患者的生存率取得了長足進步,但總體來論而不盡人意,肺癌中位生存率未見明顯提高[1]。美國,2017年肺癌5年總體生存率為18%[2],而中國2016年肺癌5年總體生存率估計僅15.6%[3]。因此,尋求更加有效的治療途徑成為當前迫切的需求。
干擾素 -β(interferon-β,IFN-β)是一種具有多種生物學功能的細胞因子,在抑制腫瘤生長、促進凋亡等方面發(fā)揮著重要作用[4-5]。體內(nèi)外研究顯示,IFN-β基因聯(lián)合間充質(zhì)干細胞在對多種腫瘤的生長顯示出光明前景,如前列腺癌、乳腺癌[6-7]等明顯的抑制增殖及促進凋亡,但是在肺癌的治療方面研究尚處于探索階段。故本研究擬將hucMSCs作為靶向運載工具,構建IFN-β-hucMSCs基因的慢病毒載體,穩(wěn)定感染后作用非小細胞肺癌細胞株A549和H226,觀察其對細胞克隆形成、遷移和增殖能力的影響,以期為肺癌的臨床治療尋找新的途徑。
本研究經(jīng)蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院倫理委員會批準,hucMSCs細胞經(jīng)產(chǎn)婦及家屬同意后,取自健康足月剖宮產(chǎn)新生兒臍帶。人肺腺癌細胞株A549由軍事醫(yī)學科學院饋贈,人肺鱗癌細胞株H226購自中國科學院細胞庫。IFN-β-慢病毒及陰性對照病毒(不含IFN-β基因的慢病毒)(滴度分別為:2E+8TU/ml、1E+9TU/ml)委托上海吉凱基因生物公司構建及合成;人重組IFN-β購自美國PeproTcch公司;人IFN-β酶聯(lián)免疫吸附測定試劑盒購自Elabscience公司;CCK-8檢測試劑盒購自Biosharp公司;兔抗人IFN-β多克隆抗體購自購自英國Abcam公司;山羊抗兔單克隆二抗購自biosharp公司;DMEM/F12培養(yǎng)和改良型RPMI-1640培養(yǎng)基基購自Hyclone公司;胎牛血清(FBS)購自美國GIBCO公司;培養(yǎng)板、培養(yǎng)瓶、Transwell小室購自美國Corning公司;胰蛋白酶、Giemsa染色液、BCA蛋白濃度試劑盒(增強型)購自碧云天生物公司;MOODEL 2300 CO2培養(yǎng)箱:Sheldon制造有限公司;SW-CJ-2FD型超凈工作臺:蘇州凈化設備有限公司;普通光學顯微鏡:日本Olympus;熒光顯微鏡IX71:日本Olympus;Milli-Qcdemic超純水儀:法國Millipore公司;
臍帶取自蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院婦產(chǎn)科,經(jīng)產(chǎn)婦及家屬同意后,將其放入含青霉素/鏈霉素(1%雙抗)的PBS中充分洗凈殘余的血漬。在超凈臺中將臍帶剪碎至1.5~2.5mm3并置于25cm2的培養(yǎng)瓶中,將其倒扣在超凈臺上4h,使水分充分蒸發(fā),然后加入2ml含有10%FBS的DMEM/F12完全培養(yǎng)基,37℃、5%CO2培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)。3d后換液,然后每3~4d進行細胞換液1次,當細胞長滿瓶底80%左右時,PBS洗滌2次,消化回收細胞,并按1∶2進行傳代。取第3~5代對數(shù)生長的hucMSCs為實驗所用的細胞。
增強型紅色熒光蛋白(enhanced red fluorescent protein, ERFP)標記的IFNβ-慢病毒感染hucMSCs后取上清,根據(jù)條件培養(yǎng)基處理A549細胞和H226細胞的不同,將實驗分為以下5組:①慢病毒組(IFNβ-hucMSCs組,IFN-β-慢病毒感染hucMSCs后上清配制的條件培養(yǎng)基作用A549細胞、H226細胞);②陰性對照病毒組(NC組,陰性對照病毒感染hucMSCs后上清配制的條件培養(yǎng)基作用A549細胞、H226細胞);③間充質(zhì)干細胞組(hucMSCs組,正常hucMSCs培養(yǎng)后上清配制的條件培養(yǎng)基作用A549細胞、H226細胞);④干擾素組(IFN-β組,終濃度100IU/mL的IFN-β條件培養(yǎng)基作用A549細胞、H226細胞);⑤空白對照組(CON組,正常培養(yǎng)基培養(yǎng)的A549細胞、H226細胞)。
慢病毒感染:用完全培養(yǎng)基制備密度為5×104/ml的hucMSCs細胞懸液,接種到6孔板中,接種體積2ml/孔,然后置于37℃、5%CO2的培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)。24h后棄去原有培養(yǎng)基,PBS洗滌2次,按照預實驗確定的MOI=15及最佳感染條件感染hucMSCs,繼續(xù)培養(yǎng)12h后,更換為含有10%FBS的完全培養(yǎng)基,繼續(xù)于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72h,中途對細胞換液,保持細胞活性。熒光顯微鏡下觀察細胞形態(tài)及熒光感染效率,達到85%以上感染效率可作為后續(xù)實驗。
按上述慢病毒感染hucMSCs的過程,當熒光效率達到85%以上時,棄去原培養(yǎng)基,加入PBS洗滌2次,更換加入DMEM/F12 無血清培養(yǎng)基,48h后收集慢病毒組、陰性對照病毒組和間充質(zhì)干細胞組上清,離心(1500r/min,5min)、過濾(0.22μm濾膜),分裝、-80℃保存。用于實驗的條件培養(yǎng)基(conditioned medium,CM)的配制:60%培養(yǎng)上清+40%DMEM/F12 培養(yǎng)基(含10%FBS);干擾素組CM為:60%無血清培養(yǎng)基(含IFN-β 100IU/ml)+40%DMEM/F12 培養(yǎng)基(含10%FBS)。條件培養(yǎng)基臨用前配制。
初次感染72h后,慢病毒組、陰性對照病毒組和間充質(zhì)干細胞組分別無血清培養(yǎng)24h、48h和72h后收集條件培養(yǎng)基,根據(jù)人β-干擾素(IFN-β)ELISA試劑盒操作說明檢測各組細胞IFN-β濃度。實驗開始時,各試劑均平衡至室溫?;緦嶒灢襟E:①加樣:分別設空白孔、標準孔、待測樣品孔;空白孔加樣品稀釋液100μl,余孔分別加標準品或待測樣品100μl,給酶標板覆膜,37℃孵育90min;②棄去液體,每孔加入Detection Ab工作液100μl,酶標板加上覆膜,37℃溫育1h;③每孔加HRP Conjugate工作液100μl,加上覆膜,37℃溫育30min;④加底物顯色液:每孔加底物溶液90μl,酶標板加上覆膜37℃避光孵育15min;⑤終止反應:每孔加終止液50μl終止反應,此時藍色立轉黃色;⑥結果檢測:用酶標儀在450nm波長測量各孔的光密度(OD值)。
細胞感染72h后收集慢病毒組、陰性對照病毒組和間充質(zhì)干細胞組的細胞,加入RIPA蛋白裂解液提取總蛋白,BCA法測定蛋白濃度。按蛋白液與上樣緩沖液4∶1混合,100℃煮沸10min,-20℃保存。取20μg總蛋白行15% SDS-PAGE電泳并將蛋白轉至PVDF膜,5%脫脂奶粉室溫封閉2h后,分別與兔抗人 IFN-β 一抗(1∶1000)和 β-actin 一抗(1∶500)4℃過夜孵育。TBST洗3次,每次10min,羊抗兔二抗(1∶10000)室溫孵育2h,ECL試劑顯影。以β-actin為內(nèi)參,使用Alpha View圖像分析軟件分析目的條帶和內(nèi)參條帶的凈光密度值,最終結果以目的條帶與內(nèi)參的光密度值的比值來表示。
取3×105個A549和H226細胞分別接種六孔板中,于細胞貼壁后加入各組條件培養(yǎng)基,繼續(xù)培養(yǎng)48h。收集培養(yǎng)后的細胞,按1000個/孔接種于6孔板,每組設3個復孔,每孔加入2mlDMEM完全細胞培養(yǎng)液,每3~4d更換新鮮培養(yǎng)液,培養(yǎng)10~14d;吸除培養(yǎng)液,PBS洗滌細胞2次后,每孔加入1ml的4%多聚甲醛固定細胞30min;PBS洗滌細胞2次后,每孔加入Giemsa染液A (1ml)染色5min后,繼續(xù)加入染液B (2ml)染色15min;PBS洗滌細胞數(shù)次,直至背景凈,晾干后顯微鏡下拍照并克隆計數(shù),根據(jù)公式計算細胞克隆形成率(clone form effciency,CFE)=(克隆數(shù)/接種細胞數(shù))×100%。
取3×105個A549和H226細胞分別接種六孔板中,于細胞貼壁后加入各組條件培養(yǎng)基,繼續(xù)培養(yǎng)48h后收集細胞。然后,取出24孔板嵌套Transwell小室,于無菌操臺內(nèi)操作,上、下小室各加500μl無血清培養(yǎng)基,37℃培養(yǎng)箱中放置2h使底膜水化,水化完成后,將小室全部轉移至新的孔板中,小心吸出上、下室培養(yǎng)基。分別制備無血清A549和H226細胞懸液,細胞密度10×104/ml,上室每孔200μl細胞懸液,下室內(nèi)加入含10%FBS的DMEM/F12培養(yǎng)液500ul,避免小室底部產(chǎn)生小氣泡;37℃、5%CO2孵育箱中培養(yǎng)48h,取出小室,吸出室內(nèi)培養(yǎng)基,PBS洗滌2次,每孔加入1ml的4%多聚甲醛固定細胞30min,0.5%結晶紫染色5~10min,PBS洗滌數(shù)次,用棉簽輕輕拭去上層膜面未穿過的細胞及染液雜質(zhì),直至背景干凈。空氣自然干燥后倒置顯微鏡下拍照記錄,每個濾膜選取中央及四周5個視野(×200),計數(shù)穿過微孔膜的細胞數(shù)。
取對數(shù)生長的A549和H226細胞,胰酶消化后制備單細胞懸液(細胞密度2×104/ml),每孔100μl接種于96孔板內(nèi),每組設置5個復孔,周圍各孔每孔加入100μl PBS,防止液體蒸發(fā)過快,細胞繼續(xù)培養(yǎng)24h。按照前面分組情況,第二天各組每孔加入條件培養(yǎng)基100μl,繼續(xù)培養(yǎng)24h、48h、72h。檢測時每孔加入CCK-8試劑10μl,37℃培養(yǎng)箱繼續(xù)培養(yǎng)2h,酶標儀上測定450nm波長處的吸光值,根據(jù)各孔不同時間的吸光度值繪制細胞增殖曲線。
10 統(tǒng)計學處理
采用SPSS 17.0版軟件進行統(tǒng)計學分析,數(shù)據(jù)以均值±標準差(±s)表示,t檢驗與單因素方差分析分別用于兩組間和多組間比較,P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。
采用組織塊貼壁法從臍帶分離間充質(zhì)干細胞,臍帶組織培養(yǎng)2周左右,顯微鏡下可見組織塊周圍有梭形、長條狀細胞生長(圖1A)。原代細胞生長稍緩(圖1B),隨著代數(shù)增加,細胞生長明顯加快,第3代細胞形成集落,成旋渦狀,形態(tài)較一致,體積偏大、胞質(zhì)豐富(圖1C)。
圖1 hucMSCs生長情況的形態(tài)學觀察。比例尺,40μmFig.1 The morphology of human umbilical cord-derived mesenchymal stem cells.Scale bar, 40μm
將hucMSCs分別感染IFN-β-慢病毒和陰性對照病毒,72h后在熒光顯微鏡下觀察,結果顯示熒光感染效率均在85%以上,并且細胞生長狀態(tài)良好(圖2)。
圖2 hucMSCs的慢病毒感染效率觀察。A和B,IFN-β-hucMSCs組的熒光視野(A)和白光視野(B);C和D,NC組熒光視野(C)和白光視野(D);比例尺,200μmFig.2 Lentivirus infection effciency in hucMSCs.Lentivirus-IFN-β-RFP infected hucMSCs∶ fluorescence (A) and bright field (B); lentivirus-RFP infected hucMSCs∶ fluorescence (C) and bright field (D); scale bar, 200μm
ELISA 檢測顯示,IFN- β-hucMSCs組 24h(1228.162 ±72.940pg/ml)、48h(1218.693±17.583pg/ml)和 72h(1045.363 ± 41.176pg/ml)3個時間點上清中的IFN-β水平明顯高于NC組24h(45.599 ±0.792pg/ml)、48h(47.841±2.553pg/ml)、72h(47.154±1.078pg/ml) 和 MSCs組 24h(46.806±2.659pg/ml)、48h(41.955±3.007pg/ml)、72h(41.435±2.171pg/ml)(圖 3)。Western blot檢測顯示,IFN-β-hucMSCs組細胞中IFN-β水平明顯高于NC組和hucMSCs組(圖4)。
圖3 ELISA檢測IFN-β-hucMSCs組上清中IFN-β水平。*,與NC組或hucMSCs組比較,P<0.01Fig.3 IFN-β levels in the supernatant of 3 hucMSCs groups determined by ELISA.*, P<0.01, compared with control virus group (NC) or mesenchymal stem cells group (hucMSCs)
圖4 Western blot 檢測IFN-β-hucMSCs組中IFN-β水平。A,代表性Western blot;B,IFN-β蛋白相對水平的統(tǒng)計學分析;* ,與NC組或hucMSCs組比較,P<0.01Fig.4 IFN-β levels in the supernatant of 3 hucMSCs groups determined by Western blot.A, representative Western blot; B, statistical analysis for relative IFN-β protein expression levels; *, P<0.01, compared with NC group or hucMSCs group
平板克隆形成法測定顯示,IFN-β-hucMSCs條件培養(yǎng)基培養(yǎng)的細胞和加人重組IFN-β培養(yǎng)的A549和H226細胞克隆數(shù)低于其余各組,尤以IFN-βhucMSCs條件培養(yǎng)基培養(yǎng)的細胞低,克隆形成能力明顯下降(圖5,圖6)。
對A549和H226細胞的遷移能力檢測顯示,IFN-β-hucMSCs組和IFN-β組的穿膜細胞數(shù)低于其它各組,且IFN-β-hucMSCs組的穿膜細胞數(shù)亦低于IFN-β組,提示 IFN-β-hucMSCs明顯降低 A549和H226細胞的遷移能力(圖7,圖8)。
CCK-8法檢測A549細胞增殖能力顯示,IFN-β-hucMSCs組和IFN-β組72h吸光度值低于其它各組,且IFN-β-hucMSCs組亦低于IFN-β組,提示細胞增殖能力明顯下降。對H226細胞增殖能力檢測顯示,IFN-β-hucMSCs組48h細胞吸光度值明顯低于CON組,IFN-β-hucMSCs組和IFN-β組72h吸光度值低于其它各組,且IFN-β-hucMSCs組亦低于IFN-β組,提示細胞增殖能力顯著下降(圖9,圖10)。
肺癌的發(fā)生、發(fā)展是多基因、多水平、多階段等極其復雜的過程,細胞凋亡在肺癌演變過程中主要起負性調(diào)控作用,可以抑制腫瘤生長,且凋亡體系的缺失將導致腫瘤再生、復發(fā)及耐藥性。多項研究表明,細胞生長調(diào)節(jié)劑和內(nèi)源性細胞凋亡誘導劑是有效治療肺癌的重要途徑[8-10]。IFN-β通過激活不同途徑誘導caspase介導腫瘤細胞凋亡,是腫瘤增殖的有效抑制劑。
圖5 IFN-β-hucMSCs 條件培養(yǎng)基抑制A549細胞克隆形成。A,IFN-β-hucMSCs條件培養(yǎng)基(IFN-β-hucMSCs)組;B,陰性對照病毒條件培養(yǎng)基(NC)組;C,hucMSCs條件培養(yǎng)基(hucMSCs)組;D,IFN-β組;E,空白對照(CON)組;比例尺,40μm;F,細胞克隆數(shù)統(tǒng)計學分析;*,與空白對照組比較,P<0.01;#,與IFN-β組比較,P<0.01Fig.5 The effects of conditioned media on the colony formation of A549 cells.A, IFN-β-hucMSCs conditioned medium; B, control virus conditioned medium (NC); C, hucMSCs conditioned medium; D, IFN-β; E, blank medium control (CON); scale bar, 40μm; F, statistical analysis.*, P<0.01, compared with CON group.#, P<0.01, compared with IFN-β group
圖6 IFN-β-hucMSCs條件培養(yǎng)基抑制H226細胞克隆形成。A,IFN-β-hucMSCs條件培養(yǎng)基(IFN-β-hucMSCs)組;B,陰性對照病毒條件培養(yǎng)基(NC)組;C,hucMSCs條件培養(yǎng)基(hucMSCs)組;D,IFN-β組;E,空白對照(CON)組;比例尺,40μm;F,細胞克隆數(shù)統(tǒng)計學分析;*,與空白對照組比較,P<0.01;#,與IFN-β組比較,P<0.01Fig.6 The effects of conditioned media on the colony formation of H226 cells.A, IFN-β-hucMSCs conditioned medium; B, control virus conditioned medium (NC); C, hucCMSCs conditioned medium; D, IFN-β; E, blank control (CON); scale bar, 40μm; F, statistical analysis.*, P<0.01, compared with CON group; #, P<0.01, compared with IFN-β group
圖7 IFN-β-hucMSCs對A549細胞遷移能力影響的Transwell小室檢測。A,IFN-β-hucMSCs組;B,NC組;C,hucMSCs組;D,IFN-β組;E,CON組;比例尺,200μm;F,統(tǒng)計定量分析;*,與空白對照組比較,P<0.01;#,與IFN-β組比較,P<0.01Fig.7 Transwell assay to evaluate the effects of different conditioned media on A549 cells’ migration ability.A, lentivirus-IFN-β-hucMSCs group; B,control virus group; C, hucMSCs group; D, IFN-β group; E, blank control group; scale bar, 200μm; F, statistical analysis; *, P<0.01, compared with blank control group; #, P<0.01, compared with interferon-β group
圖8 IFN-β-hucMSCs對H226細胞遷移能力影響的Transwell小室檢測。A,IFN-β-hucMSCs組;B,NC組;C,hucMSCs組;D,IFN-β組;E,CON組;比例尺,200μm;F,統(tǒng)計定量分析;*,與空白對照組比較,P<0.01;#,與IFN-β組比較,P<0.01Fig.8 Transwell assay to evaluate the effects of different conditioned media on H226 cells’ migration ability.A, lentivirus-IFN-β-hucCMSCs group; B,control virus group; C, hucMSCs group; D, IFN-β group; E, blank control group; scale bar, 200μm; F, statistical analysis; *, P<0.01, compared with blank control group; #, P<0.01, compared with interferon-β group
人臍帶間充質(zhì)干細胞(huc-MSCs)是存在于人臍帶華通膠(Wharton’jelly, WJ)中的間充質(zhì)干細胞,可分化誘導為成纖維細胞、脂肪細胞、成骨細胞等多種組織類型細胞,由于其增殖能力強、取材方便、來源廣泛、低免疫原性、無倫理學限制等優(yōu)勢,已成為MSC的重要來源之一[11-12]。近年來,研究證實[13-14],MSCs對神經(jīng)膠質(zhì)瘤、卵巢癌等腫瘤具有明顯的歸巢效應,并且可滲透到腫瘤基質(zhì),保持自身特性不變及不損傷正常組織,提示hucMSCs有望作為理想的基因治療載體參與腫瘤的靶向治療。
圖9 CCK-8法檢測IFN-β-hucMSCs對A549細胞增殖的影響。*,與 CON 組比較,0.01<P<0.05;#,與 IFN-β 組比較,0.01<P<0.05Fig.9 CCK-8 assay to evaluate the effect of different conditioned medium on the proliferation of A549 cells.*, 0.01<P<0.05, compared with blank control group; #, 0.01<P<0.05, compared with interferon-β group
IFN-β作為宿主防御系統(tǒng)必需的介質(zhì),具有多種生物學功能。與其它幾種類型的干擾素相比,IFN-β對腫瘤組織具有更高的親和力,從而在促進凋亡、抑制腫瘤增殖等方面發(fā)揮獨特作用[15-16]。盡管如此,IFN-β在治療腫瘤方面也會存在一些不足,如:作用的半衰期短、全身耐受劑量低、不良反應多等,這在一定程度上限制其廣泛使用[17-18]。腫瘤組織局部產(chǎn)生的IFN-β在基于其治療腫瘤中發(fā)揮重要作用,因此,通過干細胞將治療性的細胞因子遞送到腫瘤組織可能有望成為新的治療途徑,并且可以有效避免細胞毒性細胞因子對全身的不利影響。本實驗利用huc-MSCs作為基因治療的靶向運載工具,構建hucMSCs負載IFN-β基因慢病毒載體,并在體外產(chǎn)生具有生物活性的IFN-β,作用于肺腺癌細胞株A549和肺鱗癌細胞株H226,觀察IFN-β-hucMSCs對細胞克隆形成、遷移及增值能力的影響,探討hucMSCs作為基因治療的靶向運載工具的可行性,為非小細胞肺癌治療尋找新型靶向基因治療的途徑。
抑制遷移和增殖是抗腫瘤的重要機制。本研究Transwell和CCK-8實驗顯示,IFN-β-hucMSCs-CM作用癌細胞后IFN-β-hucMSCs組的細胞遷移能力和增殖水平較空白對照組和IFN-β組受到明顯抑制,且IFN-β-hucMSCs組抑制效率明顯優(yōu)于單用IFN-β組,即IFN-β修飾的hucMSCs可抑制A549和H226細胞的遷移能力和增殖水平。研究表明[7、19],IFN-β基因感染人臍帶間充質(zhì)干細胞或神經(jīng)干細胞后可以靶向遷移至人乳腺癌細胞,條件培養(yǎng)基作用癌細胞或與癌細胞共同培養(yǎng)后,乳腺癌細胞的增殖水平、活力水平明顯下降和出現(xiàn)明顯凋亡,其機制可能與活化caspase-8等級聯(lián)反應及下調(diào)Bcl-2的水平有關。Han SM[20]等在黑色素瘤的研究中發(fā)現(xiàn),IFN-β-cATMSCCM處理LMeC細胞后,LMeC細胞的增殖能力受到明顯抑制,同時細胞也發(fā)生明顯凋亡。另一方面,Dembinski JL[21]等利用小鼠腫瘤模型,通過腹腔注射IFN-β-MSCs,卵巢癌細胞(id8-r)出現(xiàn)凋亡現(xiàn)象,細胞增長緩慢,腫瘤體積減小,其作用的機制可能與由MSCs產(chǎn)生的IFN-β介導的細胞凋亡有關。
圖10 CCK-8法檢測IFN-β-hucMSCs對H226細胞增殖的影響。*,與CON組比較,P<0.05;#,與IFN-β組比較,0.01<P<0.05Fig.10 CCK-8 assay to evaluate the effect of different conditioned media on the proliferation of H226 cells.*, P<0.05, compared with blank control group; #, 0.01<P<0.05, compared with interferon-β group
以上研究表明,慢病毒介導的IFN-β基因感染的人臍帶源性間充質(zhì)干細胞可抑制肺癌A549細胞和H226細胞的克隆形成、遷移能力和增殖能力,此實驗為肺癌的靶向治療提供新的途徑。
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