宋 玲 付 瓊
卵巢癌(Ovarian cancer,OC)是死亡率最高的婦科惡性腫瘤[1]。近年來,化療耐藥成為困擾婦科腫瘤醫(yī)生的重要難題,因此,發(fā)掘新的抗腫瘤藥物具有重要的臨床意義。Warburg效應(yīng)是導(dǎo)致腫瘤化療耐藥的重要因素之一,大多數(shù)腫瘤細(xì)胞即使在氧含量正常的條件下,也高表達(dá)缺氧誘導(dǎo)因子(Hypoxia inducible factor,HIF),促進(jìn)糖酵解代謝以及一系列促增殖和侵襲的信號通路激活,其中HIF-1α是最重要的HIF活性亞基[2]。我們的前期研究發(fā)現(xiàn)了一種新型抗卵巢癌細(xì)胞單體藥物紫云英苷(Astragaline,ATG),可通過下調(diào)HIF-1α蛋白表達(dá)抑制糖酵解途徑進(jìn)而發(fā)揮抑制卵巢癌細(xì)胞增殖和遷移的作用[3],但其作用機(jī)制尚未完全闡明。因此,本研究通過缺氧培養(yǎng)卵巢癌細(xì)胞,并采用ATG聯(lián)合脯氨酸羥化酶-2(Prolyl-4-hydroxylase-2,PHD2)的抑制劑IOX2干預(yù)卵巢癌細(xì)胞,在體外細(xì)胞水平探討ATG抑制HIF-1α蛋白表達(dá)的作用及其分子機(jī)制,初步探索ATG與卵巢癌化療藥物的聯(lián)合作用,為抗卵巢癌新藥發(fā)現(xiàn)提供新的思路。
人卵巢癌OVCAR-8和SK-OV-3細(xì)胞均培養(yǎng)于RPMI-1640完全培養(yǎng)基(含10% FBS、青霉素100 U/mL和鏈霉素100 μg/mL)中,置于培養(yǎng)條件為21%O2、5% CO2、37℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng),細(xì)胞缺氧處理置于1%O2、5% CO2、94%N2、37℃的三氣恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。各組OVCAR-8和SK-OV-3細(xì)胞處理方式為:空白對照組細(xì)胞僅進(jìn)行缺氧培養(yǎng)24 h,ATG組細(xì)胞加入紫云英苷(100 μM)后進(jìn)行缺氧培養(yǎng)24 h,ATG+IOX2組細(xì)胞加入紫云英苷(100 μM)和IOX2(50 μM)后進(jìn)行缺氧培養(yǎng)24 h。
細(xì)胞增殖活力檢測實(shí)驗(yàn)分為兩部分。第一部分:OVCAR-8和SK-OV-3細(xì)胞分別分為三組,空白對照組、ATG組和ATG+IOX2組,檢測各組細(xì)胞增殖活力;第二部分:分別以含梯度濃度的ATG聯(lián)合梯度濃度的卡鉑或順鉑的培養(yǎng)基于正常培養(yǎng)箱培養(yǎng)OVCAR-8和SK-OV-3細(xì)胞72 h后檢測細(xì)胞增殖活力,并使用Combenefit v2.021軟件進(jìn)行聯(lián)合效應(yīng)分析(LOEWE分析)。細(xì)胞均接種于96孔板中培養(yǎng),每組做5個(gè)復(fù)孔計(jì)算平均值,細(xì)胞增殖活力檢測采用CCK-8試劑盒進(jìn)行,具體步驟按照說明書所示,采用酶標(biāo)儀在450 nm波長檢測各孔的吸光度(A)值以空白對照組為100%計(jì)算:細(xì)胞活力(%)=(實(shí)驗(yàn)組平均A值-無細(xì)胞孔A值)/(空白對照組平均A值-無細(xì)胞孔A值)×100%。
根據(jù)試劑盒說明書,使用缺氧檢測試劑盒(ENZ-51042-0125)測量缺氧細(xì)胞中的硝基還原酶活性。該試劑盒所使用的缺氧檢測試劑(探針)是一種含有硝基部分的非熒光芳香化合物,可以通過缺氧細(xì)胞中存在的硝基還原酶轉(zhuǎn)化為羥胺(NHOH)和氨基(NH2),隨后釋放可激發(fā)紅色熒光的探針物質(zhì)。分別檢測空白對照組及ATG組OVCAR-8和SK-OV-3細(xì)胞缺氧狀態(tài),并以正常條件培養(yǎng)的未加藥物處理的細(xì)胞為陰性對照組(Negative control group)。缺氧培養(yǎng)后用PBS洗滌細(xì)胞兩次,并加入500 μL缺氧檢測混合物(5 μL缺氧檢測試劑溶于10 mL培養(yǎng)基中)孵育30 min。吸去缺氧檢測混合物,用PBS洗滌細(xì)胞兩次。使用標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)/發(fā)射濾光器組(Ex/Em:596/630 nm)通過熒光顯微鏡(Olympus Corporation)拍片并使用Image Pro Plus軟件進(jìn)行相對熒光強(qiáng)度(RIF)分析。
采用Western blot檢測空白對照組、ATG組及ATG+IOX2組細(xì)胞HIF-1α、PHD2、PCNA、MMP-2和MMP-9蛋白表達(dá)情況。收集各組細(xì)胞,使用RIPA裂解液提取細(xì)胞總蛋白,并使用BCA法測定各組細(xì)胞蛋白樣品濃度。以每孔30 μg總蛋白量通過10% SDS-PAGE凝膠電泳分離后電轉(zhuǎn)印至PVDF膜;隨后使用3%脫脂奶粉室溫封閉1 h后一抗4℃孵育過夜;于3次TBST洗膜(5 min/次)后加入熒光二抗室溫孵育1 h后洗膜,采用Odyssey雙色紅外激光成像儀收集熒光信號。以GAPDH為內(nèi)參照,通過Quantity One-v4.6.2軟件進(jìn)行蛋白表達(dá)相對定量分析。
細(xì)胞處理與Western blot實(shí)驗(yàn)一致,收集空白對照組、ATG組及ATG+IOX2組細(xì)胞,采用RNAiso Plus提取細(xì)胞RNA,并使用微量分光光度計(jì)檢測RNA濃度及純度。根據(jù)逆轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書,取1 μg總RNA去除使用gDNA Eraser去除基因組DNA后逆轉(zhuǎn)錄為cDNA。采用qRT-PCR試劑盒,以20 μL反應(yīng)體系,采用兩步法進(jìn)行PCR反應(yīng)(第一步:95℃ 30 s;第二步:95℃ 5 s+60℃ 34 s,40個(gè)循環(huán);第三步:95℃ 15 s+60℃ 1 min+95℃ 15 s),以GAPDH作為內(nèi)參。引物均由上海生工生物工程有限公司合成,檢測指標(biāo)及引物序列見表1。結(jié)果分析采用2-ΔΔCt法計(jì)算各基因mRNA相對表達(dá)量。
表1 引物序列表
OVCAR-8和SK-OV-3細(xì)胞分為空白對照組、ATG組及ATG+IOX2組三組。細(xì)胞接種于Transwell小室,上室中分別加入無血清培養(yǎng)基及其配置的含ATG(100 μM)、含ATG(100 μM)和IOX2(50 μM)的培養(yǎng)基,下室內(nèi)加入用完全培養(yǎng)基及其配置的含ATG(100 μM)、含ATG(100 μM)和IOX2(50 μM)的培養(yǎng)基。缺氧條件培養(yǎng)24 h后,吸凈下室液體,用甲醇原液固定20 min,結(jié)晶紫染色,光學(xué)顯微鏡(200×)拍照,并隨機(jī)選取5個(gè)視野進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù),算出每個(gè)視野的平均值以對細(xì)胞侵襲能力進(jìn)行相對定量分析。
應(yīng)用SPSS 21.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理,計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,兩組間比較采用t檢驗(yàn),多組間比較采用方差分析,多重比較采用Tukey法,P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
采用Western blot和qRT-PCR檢測缺氧條件下ATG對卵巢癌細(xì)胞HIF-1α及其下游細(xì)胞增殖和侵襲相關(guān)蛋白表達(dá)情況。結(jié)果顯示,缺氧條件下,與空白對照組相比,ATG組OVCAR-8和SK-OV-3細(xì)胞HIF-1α蛋白表達(dá)明顯降低(P<0.001)(圖1A-B),且促增殖相關(guān)因子PCNA以及促侵襲相關(guān)因子MMP-2和MMP-9蛋白水平均明顯降低(圖1A,C-E),差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001);此外,缺氧條件下,與空白對照組相比,ATG組OVCAR-8和SK-OV-3細(xì)胞HIF-1α的mRNA水平均無明顯變化(P>0.05),但促增殖相關(guān)因子PCNA以及促侵襲相關(guān)因子MMP-2和MMP-9的mRNA表達(dá)均明顯降低(圖1F-I),差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)。以上結(jié)果表明,ATG可明顯抑制缺氧誘導(dǎo)的卵巢癌細(xì)胞HIF-1α及其下游細(xì)胞增殖和侵襲相關(guān)蛋白表達(dá),其作用可能與HIF-1α蛋白轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)相關(guān),而與轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)無關(guān)。
為闡明ATG降低卵巢癌細(xì)胞HIF-1α蛋白水平的機(jī)制,本研究檢測了ATG對卵巢癌細(xì)胞缺氧狀態(tài)的影響,陰性對照組紅色熒光較弱,而在缺氧培養(yǎng)條件下,空白對照組OVACR-8和SK-OV-3細(xì)胞紅色熒光較強(qiáng),明顯呈現(xiàn)缺氧狀態(tài)。與空白對照組相比,ATG組細(xì)胞仍處于缺氧狀態(tài),相對熒光強(qiáng)度均無明顯變化(P>0.05)(圖2A-B)。因此本研究進(jìn)一步檢測了ATG對PHD2蛋白及mRNA表達(dá)水平的影響,在缺氧培養(yǎng)狀態(tài)下,與空白對照組相比,ATG組OVCAR-8和SK-OV-3細(xì)胞PHD2蛋白及mRNA表達(dá)均明顯升高,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)(圖2C-E)。表明ATG可能通過上調(diào)PHD2表達(dá)促進(jìn)HIF-1α降解。
圖1 紫云英苷對卵巢細(xì)胞HIF-1α及其下游細(xì)胞增殖和侵襲相關(guān)調(diào)節(jié)因子表達(dá)的影響Figure 1 Effects of astragaline on the expression of HIF-1α and its downstream factors related to proliferation and invasion in ovarian cancer cellsNotes:A-E.The expression of HIF-1α,PCNA,MMP-2 and MMP-9 protein in OVCAR-8 and SK-OV-3 cells;F-I.The expression of HIF-1α,PCNA,MMP-2 and MMP-9 mRNA in OVCAR-8 and SK-OV-3 cells.HPA:Hypoxia;ATG:Astragaline;No-treatment control(control group):HPA+ATG-;ATG group:HPA+ATG+.NS P>0.05,***P<0.001,when compared with the control group.
為進(jìn)一步證實(shí)ATG通過上調(diào)PHD2促進(jìn)HIF-1α降解,本研究檢測了PHD2特異性抑制劑IOX2預(yù)處理對ATG抗卵巢癌細(xì)胞增殖和侵襲作用的影響,缺氧培養(yǎng)條件下,與ATG組相比,ATG+IOX2組OVCAR-8和SK-OV-3細(xì)胞HIF-1α、促增殖因子PCNA及促侵襲因子MMP-2和MMP-9的蛋白表達(dá)均明顯升高(P<0.001)(圖3A-E);qRT-PCR結(jié)果顯示,與ATG組相比,ATG+IOX2組OVCAR-8和SK-OV-3細(xì)胞HIF-1α的mRNA表達(dá)均無明顯變化(P>0.05)(圖3F),但PCNA、MMP-2和MMP-9的mRNA表達(dá)均明顯升高(P<0.001)(圖3G-I)。此外,在缺氧培養(yǎng)條件下,與空白對照組相比,ATG組OVCAR-8和SK-OV-3細(xì)胞增殖及侵襲均能力明顯降低(P<0.001);而與ATG組相比ATG+IOX2組OVCAR-8和SK-OV-3細(xì)胞增殖及侵襲均能力均明顯升高(P<0.001)(圖4)。
圖2 紫云英苷對卵巢癌細(xì)胞缺氧狀態(tài)及PHD2表達(dá)的影響Figure 2 Effects of Astragaline on hypoxic status and expression levels of PHD2 in ovarian cancer cellsNote:A-B.Effect of ATG on hypoxic status of OVCAR-8 and SK-OV-3 cells;C-E.Effect of ATG on the expression of PHD2 at levels of protein and mRNA in OVCAR-8 and SK-OV-3 cells.HPA:Hypoxia.ATG:Astragaline.Negative control group:cells cultured in normal oxygen conditions;No-treatment control(control group):HPA+ATG-;ATG group:HPA+ATG+.NS P>0.05,***P<0.001,when compared with the control group.
圖4 PHD2抑制劑明顯減弱紫云英苷對缺氧誘導(dǎo)的卵巢癌細(xì)胞增殖和侵襲的抑制作用Figure 4 Effect of PHD2 inhibitor on the suppressive role of Astragaline in proliferation and invasion of ovarian cancer cellsNote:A-B.Effect of IOX2 on proliferation of OVACR-8 and SK-OV-3 cells treated with ATG;C-D.Effect of IOX2 on invasion of OVACR-8 and SK-OV-3 cells treated with ATG.IOX2:PHD2 inhibitor.HPA:Hypoxia.ATG:Astragaline.No-treatment control(control group):HPA+ATG-IOX2-;ATG group:HPA+ATG+IOX2-;ATG+IOX2 group:HPA+ATG+IOX2+.***P<0.001,when compared with the ATG group.
圖3 PHD2抑制劑明顯減弱紫云英苷對缺氧誘導(dǎo)的卵巢癌細(xì)胞HIF-1α及其下游細(xì)胞增殖和侵襲相關(guān)因子表達(dá)的抑制作用Figure 3 PHD2 inhibitor reduced the inhibitory effect of Astragaline on the expression suppression levels of HIF-1α and downstream proliferation-and invasion-related factors in ovarian cancer cellsNote:A-E.IOX2 reduced the inhibitory effect of astragaline on the expression of HIF-1α and its downstream factors related to proliferation and invasion in OVACR-8 and SK-OV-3 cells.F-I.IOX2 reduced the inhibitory effect of astragaline on the mRNA expression suppression levels of HIF-1α and downstream factors related to proliferation and invasion in OVACR-8 and SK-OV-3 cells.IOX2:PHD2 inhibitor.HPA:Hypoxia.ATG:Astragaline.ATG group:HPA+ATG+IOX2-;ATG+IOX2 group:HPA+ATG+IOX2+.NS P>0.05,***P<0.001,when compared with the ATG group.
HIF-1α及下游促增殖和侵襲相關(guān)信號通路上調(diào)是化療耐藥的重要機(jī)制之一,為進(jìn)一步證實(shí)ATG的抗卵巢癌作用,本研究檢測了ATG與卡鉑和順鉑抗卵巢癌的聯(lián)合效應(yīng),LOEWE分析結(jié)果顯示為藍(lán)色表示兩種藥物具有較好的聯(lián)合作用,顯示為紅色則表示兩種藥物具有拮抗作用。本研究結(jié)果表明,在一定濃度范圍內(nèi),ATG與卡鉑以及ATG與順鉑均在OVCAR-8和SK-OV-3細(xì)胞中顯示出較好的聯(lián)合作用。表明ATG增加卵巢癌細(xì)胞對卡鉑和順鉑的敏感性(圖5)。
圖5 紫云英苷促進(jìn)卵巢癌細(xì)胞對化療藥物的敏感性Figure 5 Astragaline sensitized ovarian cancer cells to chemotherapeutic agentsNote:A.Synergic analysis of ATG and carboplatin in OVACR-8 cells;B.Synergic analysis of ATG and cisplatin in OVACR-8 cells;C.Synergic analysis of ATG and carboplatin in SK-OV-3 cells;D.Synergic analysis of ATG and cisplatin in SK-OV-3 cells.Cells were treated with increasing concentration of ATG and carboplatin or cisplatin in normoxic condition for 72 h,then cell proliferative capacity was measured by CCK-8 kit.Synergic analysis was performed with Combenefit v2.021 software using LOEWE analysis.
前期研究證實(shí)[3],ATG可通過抑制HIF-1α及其誘導(dǎo)的糖酵解途徑抑制卵巢癌細(xì)胞的增殖和遷移,并促進(jìn)其凋亡,表明ATG是一種潛在的針對Warburg效應(yīng)的有效抗卵巢癌藥物。為進(jìn)一步闡明ATG抗卵巢癌作用的機(jī)制,本研究在缺氧培養(yǎng)條件下給予OVCAR-8和SK-OV-3細(xì)胞ATG處理,并結(jié)合PHD2抑制劑干預(yù),證實(shí)ATG可能通過上調(diào)PHD2表達(dá),促進(jìn)缺氧誘導(dǎo)的HIF-1α降解,進(jìn)而抑制卵巢癌細(xì)胞增殖和侵襲。
缺氧誘導(dǎo)的HIF-1α信號通路上調(diào)是腫瘤耐藥的重要因素,HIF-1α上調(diào)可通過促進(jìn)一系列促腫瘤細(xì)胞生存、增殖、侵襲、免疫逃逸等惡性行為的信號通路,進(jìn)而增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞對放、化療治療的耐受性[4]。因此,以HIF-1α為靶點(diǎn)的小分子化合物是具有較好前景的新型抗腫瘤藥物,近年來針對缺氧和HIF-1α的特異性藥物也成為腫瘤新藥發(fā)掘的熱點(diǎn)[5]。目前尚沒有針對HIF-1α有效的臨床抗腫瘤藥物,大多都尚處于臨床前的細(xì)胞或動(dòng)物研究階段。我們的前期研究表明[3],一種廣泛存在于食品成分中的天然黃酮類物質(zhì)—紫云英苷,在2D和3D細(xì)胞培養(yǎng)水平均顯示出較好的抗卵巢癌作用,且均呈現(xiàn)較好的時(shí)間和劑量依賴效應(yīng)關(guān)系。此外,紫云英苷可明顯抑制OVCAR-8細(xì)胞遷移能力,激活線粒體凋亡途徑、增加細(xì)胞凋亡水平,且在2D及3D培養(yǎng)條件下均可抑制Glut1、Glut3、HK2、PDK1和PDK3等糖酵解途徑效果蛋白表達(dá)。表明紫云英苷在正常氧含量及缺氧環(huán)境下對卵巢癌OVCAR-8細(xì)胞增殖具有抑制作用,且其機(jī)制可能是通過抑制HIF-1α誘導(dǎo)的糖酵解通路以及激活線粒體凋亡通路。為進(jìn)一步闡明紫云英苷抑制HIF-1α的作用機(jī)制,本研究通過缺氧培養(yǎng)激活卵巢癌細(xì)胞HIF-1α及下游促增殖和侵襲相關(guān)信號通路,并給予紫云英苷處理,結(jié)果顯示,紫云英苷可明顯抑制缺氧誘導(dǎo)的HIF-1α蛋白表達(dá),進(jìn)而抑制促增殖相關(guān)因子PCNA及促侵襲相關(guān)因子MMP-2和MMP-9表達(dá),但HIF-1α的mRNA表達(dá)無明顯變化。由此可知,紫云英苷對HIF-1α的抑制作用并非抑制其轉(zhuǎn)錄水平,而是轉(zhuǎn)錄后的抑制。
HIF-1α與HIF-1β共同組合形成具有調(diào)節(jié)活性的HIF-1異源二聚體轉(zhuǎn)位進(jìn)入細(xì)胞核,與含有缺氧應(yīng)答原件(Hypoxia responsive elements,HREs)的啟動(dòng)子結(jié)合,促進(jìn)相應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄,進(jìn)而激活一系列信號通路[4]。其中,HIF-1β亞基又稱芳香烴受體核轉(zhuǎn)運(yùn)子,在細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定表達(dá),起結(jié)構(gòu)性作用;而HIF-1α受缺氧信號的調(diào)控,是HIF-1的活性亞基[6]。正常氧含量條件下,合成的HIF-1α蛋白很快即被細(xì)胞內(nèi)的泛素蛋白酶—脯氨酸羥化酶(prolyl-4-hydroxylases,PHDs)所降解,其中,PHD2是主要的亞型之一。為進(jìn)一步揭示紫云英苷對HIF-1α轉(zhuǎn)錄后抑制的分子機(jī)制,本研究檢測了紫云英苷處理后PHD2的表達(dá)變化,結(jié)果顯示,缺氧培養(yǎng)條件下,無處理對照組細(xì)胞PHD2的表達(dá)水平較低,而給予紫云英苷處理后,PHD2的蛋白及mRNA表達(dá)水平均明顯升高,提示紫云英苷可能通過上調(diào)PHD2表達(dá)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對HIF-1α的轉(zhuǎn)錄后抑制。為進(jìn)一步證實(shí)這一猜想,本研究在給予卵巢癌細(xì)胞紫云英苷處理的同時(shí)增加PHD2特異性抑制劑IOX2干預(yù),結(jié)果顯示,IOX2處理可明顯減弱紫云英苷對卵巢癌細(xì)胞增殖及侵襲的抑制作用,并使紫云英苷處理后促增殖相關(guān)因子PCNA及促侵襲相關(guān)因子MMP-2和MMP-9表達(dá)升高。同時(shí),HIF-1α蛋白水平也較單純紫云英苷處理組細(xì)胞明顯升高,而mRNA水平則無明顯差異,表明紫云英苷是通過上調(diào)PHD2表達(dá),促進(jìn)HIF-1α的降解,進(jìn)而抑制卵巢癌細(xì)胞的增殖和侵襲。在肺癌的研究中,表明紫云英苷可抑制肺癌和肝癌細(xì)胞ERK、Akt及NF-κB等信號通路及糖酵解相關(guān)因子[7-8],這些作用可能均通過上調(diào)PHD2表達(dá)促進(jìn)HIF-1α的降解進(jìn)而抑制Warburg效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。此外,HIF-1α通路被證實(shí)是腫瘤化療耐藥的重要因素,以HIF-1α為靶點(diǎn)的藥物均可增加卵巢癌細(xì)胞對化療藥物的敏感性[9-11],因此本研究還進(jìn)一步檢測了紫云英苷與卵巢癌常用化療藥物的聯(lián)合效應(yīng),結(jié)果顯示,紫云英苷可明顯增加卵巢癌細(xì)胞對卡鉑和順鉑的敏感性,顯示出較好的聯(lián)合效應(yīng)。
綜上所述,本研究結(jié)果證實(shí)紫云英苷可通過上調(diào)PHD2表達(dá)促進(jìn)HIF-1α的降解,抑制Warburg效應(yīng),實(shí)現(xiàn)對卵巢癌細(xì)胞糖酵解途徑、增殖及侵襲的抑制作用,是一種潛在的抗卵巢癌化療耐藥的新型小分子天然化合物,為卵巢癌藥物治療提供了新的思路和參考。