許傳先,凌衛(wèi)明,張?jiān)来?,歐萌萌,方斌斌*
1無錫市兒童醫(yī)院檢驗(yàn)科,江蘇 無錫 214023;2南京醫(yī)科大學(xué)附屬無錫精神衛(wèi)生中心檢驗(yàn)科,江蘇 無錫 214151
阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease,AD)是一種神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,起病隱匿并呈進(jìn)行性發(fā)展。AD 病變主要發(fā)生在大腦皮層及腦區(qū),AD 的病理特征包括認(rèn)知功能障礙[1]、腦皮質(zhì)神經(jīng)元減少退化[2]、神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)原纖維纏結(jié)、細(xì)胞外老年斑及腦實(shí)質(zhì)血管淀粉樣變性等。Tau蛋白是一種微管相關(guān)蛋白,在腦細(xì)胞中的功能是與其他微管蛋白結(jié)合形成微管,并保持其穩(wěn)定性。相關(guān)研究證實(shí)了AD 患者腦中磷酸化Tau(p?Tau)蛋白數(shù)量異常增加[3],同時(shí)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明,AD 模擬動(dòng)物的相關(guān)腦細(xì)胞內(nèi)p?Tau水平出現(xiàn)同樣變化,因此Tau 蛋白的過磷酸化成為AD病變評估的關(guān)鍵標(biāo)志物,對抗Tau蛋白過磷酸化也成為AD治療的一個(gè)重要切入點(diǎn)[4]。
姜黃色素(curcuminoids)是我國傳統(tǒng)中藥姜黃的主要活性成分,姜黃素(curcumin,Cur)是其中一種單體,通過抑制β淀粉樣蛋白(amyloid β?protein,Aβ)的產(chǎn)生和聚集,對神經(jīng)系統(tǒng)顯示出保護(hù)作用[5]。大腦中細(xì)胞外大量淀粉樣蛋白的沉積是AD的主要病理變化之一,動(dòng)物試驗(yàn)表明姜黃素可以使AD 鼠大腦中相關(guān)神經(jīng)細(xì)胞外的Aβ淀粉樣蛋白減少,并能預(yù)防這種蛋白的生成[6]。但姜黃素對AD 相關(guān)細(xì)胞內(nèi)另一主要病理變化,即p?Tau的影響有待深入研究。
AD 的發(fā)病機(jī)制尚未明確。目前研究表明,神經(jīng)元細(xì)胞在Tau蛋白磷酸化后可產(chǎn)生多種神經(jīng)毒性損害,如缺血缺氧[7-8]、氧化應(yīng)激[9]、炎癥[10]和老化[11]等。本研究用岡田酸(okadaic acid,OA)誘導(dǎo)HT?22小鼠海馬神經(jīng)元細(xì)胞,并以一定濃度的姜黃素處理,探討姜黃素對OA誘導(dǎo)的HT?22細(xì)胞的作用及其對凋亡及氧化應(yīng)激的影響,對AD 的治療有重要臨床指導(dǎo)意義。
小鼠海馬神經(jīng)元來源的HT?22 細(xì)胞系,購自賽百慷(上海)生物技術(shù)股份有限公司,姜黃素、岡田酸(Sigma公司,美國),MEM培養(yǎng)液(Invitrogen公司,美國),胎牛血清、N2培養(yǎng)基添加劑、Neurobasal培養(yǎng)基(Gibco 公司,美國),活性氧檢測試劑盒、MTT 細(xì)胞增殖及細(xì)胞毒性檢測試劑盒、Annexin V?FITC/PI細(xì)胞凋亡檢測試劑盒、DCFH?DA熒光探針檢測試劑盒(上海碧云天生物技術(shù)有限公司),ChemiDocTMXRS凝膠成像系統(tǒng)(Bio?Rad 公司,美國),BD FACS?Verse 流式細(xì)胞儀(BD 公司,美國),Leica DM14000熒光顯微鏡(萊卡公司,德國)。
1.2.1 細(xì)胞培養(yǎng)
小鼠海馬神經(jīng)元來源的HT?22 細(xì)胞,用含10%胎牛血清的MEM 高糖培養(yǎng)液(100 U/mL 青霉素和100 mg/L 鏈霉素),在37 ℃、5%CO2、100%飽和濕度條件下培養(yǎng),細(xì)胞貼壁生長后加入分化液(Neuro?basal 培養(yǎng)基和N2 添加劑)培養(yǎng)24 h。當(dāng)細(xì)胞呈對數(shù)生長時(shí),進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。
1.2.2 實(shí)驗(yàn)分組
HT?22 細(xì)胞以不同濃度的OA(20、40、60、80、100 nmol/L)處理,不加OA的細(xì)胞作為對照,分別進(jìn)行MTT 實(shí)驗(yàn)和Annexin V?FITC/PI 雙染色檢測細(xì)胞活性及凋亡情況。后續(xù)實(shí)驗(yàn)以O(shè)A 作用HT?22 細(xì)胞的半數(shù)抑制濃度(IC50)作為實(shí)驗(yàn)濃度,分為對照組:HT?22 細(xì)胞未經(jīng)任何處理因素;Cur 組:姜黃素(20 μg/mL)作用HT?22 細(xì)胞24 h;OA 組:80 nmol/L OA作用HT?22細(xì)胞24 h;OA+Cur 組:OA(80 nmol/L)加入HT?22細(xì)胞12 h后加姜黃素(20 μg/mL)處理細(xì)胞12 h進(jìn)行后續(xù)檢測。
1.2.3 MTT檢測細(xì)胞活力
HT?22細(xì)胞生長至對數(shù)生長期時(shí),0.25%胰酶消化貼壁細(xì)胞,完全培養(yǎng)基終止消化,并調(diào)整至100 μL 5 000個(gè)細(xì)胞后接種于96孔培養(yǎng)板,每組5個(gè)復(fù)孔,待細(xì)胞貼壁后進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn),設(shè)立調(diào)零孔,分別培養(yǎng)12、24、48 h后,向各孔內(nèi)加10 μL MTT溶液,置于培養(yǎng)箱繼續(xù)培養(yǎng)1 h后中反應(yīng),在酶標(biāo)儀上于波長450 nm處測各孔吸光值。細(xì)胞活力(%)=(實(shí)驗(yàn)組吸光值-調(diào)零孔吸光值)/(對照組吸光值-調(diào)零孔吸光值)×100%。
1.2.4 Annexin V?FITC/PI 雙染色檢測細(xì)胞凋亡
按照Annexin V?FITC/PI 雙染色凋亡檢測試劑盒說明書進(jìn)行操作。取胰酶處理后的對數(shù)生長期細(xì)胞,調(diào)整細(xì)胞濃度接種于6孔培養(yǎng)板(2×105個(gè)/孔),待細(xì)胞貼壁后,進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn),分別培養(yǎng)24 h,PBS 輕輕洗滌2 次,各組依次加入195 μL Annexin V?FITC結(jié)合液、5 μL AnnexinV?FITC 混勻,5 μL PI 混勻,暗盒中放置10 min后,置于熒光顯微鏡下觀察并拍照記錄,并以流式細(xì)胞儀(綠色熒光FITC和紅色熒光PI分別采用FL1和FL3通道)檢測凋亡細(xì)胞數(shù)。
1.2.5 DCFH?DA 熒光探針熒光顯微鏡測定細(xì)胞活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平
取胰酶處理后的對數(shù)生長期細(xì)胞,調(diào)整細(xì)胞濃度接種于6孔培養(yǎng)板(2×105個(gè)/孔),分組處理后,收集各組細(xì)胞,將DCFH?DA稀釋為終濃度10 μmol/L。去除細(xì)胞培養(yǎng)液,加入1 mL稀釋好的DCFH?DA。熒光顯微鏡和流式細(xì)胞儀檢測各組細(xì)胞ROS生成水平。
1.2.6 免疫印跡法檢測蛋白表達(dá)
HT?22 細(xì)胞分組處理后,收集各組細(xì)胞,采用BCA 法進(jìn)行蛋白質(zhì)含量測定。等量蛋白經(jīng)SDS?PAGE電泳分離后,轉(zhuǎn)移到PVDF 膜上。用封閉液封閉60 min,分別加入Bcl?2、Cleaved?caspase?3、t?Tau、p?Tau和β?actin抗體,4 ℃作用過夜,然后用TBST 清洗10 min 3次,加入二抗室溫孵育90 min,再用TBST清洗10 min 3次。ECL發(fā)光液將PVDF膜顯色,凝膠成像系統(tǒng)掃描分析結(jié)果,Image J軟件分析條帶灰度值。
采用GraphPad Prism7.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差()表示,多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較采用方差分析,任意兩組間比較用LSD?t檢驗(yàn)。P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
2.1.1 OA對HT?22細(xì)胞活力的影響
MTT 結(jié)果顯示,與對照組相比,不同濃度的OA(20、40、60、80、100 nmol/L)分別作用HT?22 細(xì)胞12、24、48 h 后,細(xì)胞活力隨OA 濃度和作用時(shí)間的增加而逐漸降低。OA 對HT?22 細(xì)胞活力的抑制作用具有濃度和時(shí)間依賴性,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(圖1)。說明OA 對HT?22 細(xì)胞活力有抑制作用,OA 作用HT?22細(xì)胞的IC50接近80 nmol/L。
圖1 岡田酸對HT?22細(xì)胞活力的影響(n=3)Figure 1 Effect of OA on viability of HT?22 cells(n=3)
2.1.2 OA對HT?22細(xì)胞凋亡的影響
流式細(xì)胞儀檢測細(xì)胞凋亡實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,與對照組相比,不同濃度的OA分別作用HT?22細(xì)胞24 h后,OA 組細(xì)胞凋亡率明顯升高,呈濃度依賴性,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(圖2)。說明OA 促進(jìn)HT?22 細(xì)胞的凋亡,其IC50接近80 nmol/L。
2.1.3 OA對HT?22細(xì)胞ROS生成水平的影響
流式細(xì)胞儀檢測結(jié)果顯示,與對照組相比,不同濃度的OA(40、60、80 nmol/L)分別作用HT?22 細(xì)胞24 h后,OA組細(xì)胞內(nèi)ROS生成水平隨OA濃度的增高而增高(圖3)。說明OA 的損傷造成HT?22 細(xì)胞內(nèi)ROS水平增高。
2.1.4 OA作用HT?22細(xì)胞后Bcl?2、Cleaved?caspase?3、t?Tau、p?Tau蛋白表達(dá)量的變化
圖2 OA對HT?22細(xì)胞凋亡的影響Figure 2 Effect of OA on HT?22 cells apoptosis
圖3 OA對HT?22細(xì)胞內(nèi)活性氧水平的影響Figure 3 Effect of OA on the level of reactive oxygen species in HT?22 cells
Western blot 蛋白實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,不同濃度的OA(20、40、80 nmol/L)作用HT?22細(xì)胞48 h后,與對照組相比,凋亡蛋白Cleaved?caspase?3 表達(dá)量明顯上升,抗凋亡蛋白Bcl?2表達(dá)量降低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(圖4)。這一改變與流式細(xì)胞儀檢測細(xì)胞凋亡實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。
用不同濃度OA 作用HT?22 細(xì)胞后,經(jīng)Western blot檢測,被誘導(dǎo)后的HT?22細(xì)胞出現(xiàn)類似于AD的t?Tau、p?Tau蛋白表達(dá)量明顯升高(圖4),說明OA處理HT?22細(xì)胞后模擬了AD的病理特征。根據(jù)MTT實(shí)驗(yàn)及流式細(xì)胞儀檢測,OA作用HT?22細(xì)胞的IC50接近80 nmol/L,后續(xù)實(shí)驗(yàn)將使用80 nmol/L的OA對HT?22細(xì)胞進(jìn)行誘導(dǎo)。
2.2.1 姜黃素對OA損傷的HT?22細(xì)胞活力的影響
MTT結(jié)果顯示,與對照組相比,Cur組對細(xì)胞活力無明顯影響,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。與對照組相比,OA組和OA+Cur組細(xì)胞活力明顯降低,且OA組細(xì)胞活力低于OA+Cur 組細(xì)胞,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(圖5)。說明姜黃素可以減輕OA損傷所造成的HT?22細(xì)胞活力降低。
2.2.2 姜黃素對OA損傷HT?22細(xì)胞凋亡的影響
圖4 OA對HT?22細(xì)胞Bcl?2、cleaved?caspase?3、t?Tau、p?Tau蛋白表達(dá)量的影響Figure 4 Effect of OA on the expression levels of Bcl?2,cleaved?caspase?3,t?Tau,p?Tau protein in HT?22 cells
圖5 姜黃素對OA損傷的HT?22細(xì)胞活力的影響Figure 5 Effect of curcumin on the cell viability in HT?22 cells damaged by OA
Annexin V?FITC/PI雙染色熒光顯微鏡觀察結(jié)果顯示,與對照組相比,Cur組細(xì)胞無明顯變化,OA組和OA+Cur 組細(xì)胞早期凋亡細(xì)胞明顯增多(圖6A)。流式細(xì)胞儀檢測細(xì)胞凋亡結(jié)果顯示,與對照組相比,Cur組細(xì)胞凋亡率無明顯變化,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。與對照組相比,OA組和OA+Cur組細(xì)胞凋亡率增高,且OA 組細(xì)胞凋亡率高于OA+Cur 組細(xì)胞,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(圖6B、C)。說明姜黃素可抑制OA損傷造成的HT?22細(xì)胞凋亡。
2.2.3 姜黃素對OA 損傷的HT?22細(xì)胞ROS 水平的影響
圖6 姜黃素對OA損傷HT?22細(xì)胞凋亡的影響Figure 6 Effect of curcumin on the cell apoptosis in HT?22 cells damaged by OA
DCFH?DA熒光探針熒光顯微鏡觀察顯示,與對照組相比,Cur 組細(xì)胞無明顯變化,OA 組細(xì)胞內(nèi)DCFH 的熒光強(qiáng)度增高,OA+Cur組細(xì)胞內(nèi)熒光強(qiáng)度高于Cur組低于OA組(圖7A)。流式細(xì)胞儀檢測結(jié)果顯示,與對照組相比,Cur組細(xì)胞無明顯變化,OA組、OA+Cur組細(xì)胞ROS含量增多,且OA組細(xì)胞ROS含量高于OA+Cur組(圖7B、C)。說明姜黃素可以抑制OA損傷造成的HT?22細(xì)胞內(nèi)的ROS水平增高。
2.2.4 姜黃素對OA 損傷HT?22 細(xì)胞內(nèi)多種蛋白表達(dá)水平的影響
Western blot 蛋白實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,與對照組相比,Cur 組細(xì)胞t?Tau、p?Tau 蛋白、凋亡蛋白Cleaved?caspase?3、抗凋亡蛋白Bcl?2表達(dá)量的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。與對照組相比,OA 組與OA+Cur 組細(xì)胞t?Tau,p?Tau蛋白、凋亡蛋白Cleaved?caspase?3表達(dá)量明顯上升,抗凋亡蛋白Bcl?2表達(dá)量顯著降低,且OA組t?Tau、p?Tau、Cleaved?caspase?3 蛋白表達(dá)量明顯高于OA+Cur 組,Bcl?2表達(dá)量明顯低于OA+Cur 組,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。說明姜黃素可以降低OA損傷的HT?22 細(xì)胞的AD 相關(guān)蛋白表達(dá)量,Bcl?2 表達(dá)量升高與凋亡檢測結(jié)果相符,說明姜黃素對OA 損傷的HT?22細(xì)胞有保護(hù)作用(圖8A、B)。
圖7 姜黃素對OA損傷的HT?22細(xì)胞內(nèi)ROS水平的影響Figure 7 Effect of curcumin on the level of reactive oxygen species in HT?22 cells damaged by OA
AD病因尚未完全闡明,由于AD臨床病理進(jìn)程緩慢,其病理變化多由尸檢腦部異常的組織結(jié)構(gòu)獲取,未能明確病程早期的損傷機(jī)制[12]。在神經(jīng)病理學(xué)方面,AD患者相關(guān)腦區(qū)細(xì)胞內(nèi)Tau蛋白過度磷酸化和神經(jīng)原纖維纏結(jié)以及細(xì)胞外豐富的淀粉樣蛋白沉積被認(rèn)為是神經(jīng)元細(xì)胞損傷的主要原因[13-14]。
圖8 姜黃素對OA損傷的HT?22細(xì)胞Bcl?2、cleaved?caspase?3、t?Tau、p?Tau蛋白表達(dá)量的影響Figure 8 Effect of curcumin on the expression levels of Bcl?2,cleaved?caspase?3,t?Tau,p?Tau protein in HT?22 cells in?jured by OA
Tau蛋白是神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)含量最高的微管結(jié)合蛋白,通過微管組裝維持微管的穩(wěn)定性,Tau蛋白過度磷酸化后,微管穩(wěn)定性下降而出現(xiàn)神經(jīng)原纖維纏結(jié)。AD 患者因Tau 蛋白過磷酸化而出現(xiàn)相關(guān)癥狀。OA 是蛋白磷酸酶2A 的抑制劑,可誘導(dǎo)細(xì)胞和動(dòng)物體內(nèi)Tau 過度磷酸化及神經(jīng)元死亡,從而提供研究AD的理想模型[15-16]。本研究用不同濃度的OA處理HT?22細(xì)胞,結(jié)果細(xì)胞凋亡率增加,細(xì)胞內(nèi)ROS量增加,細(xì)胞內(nèi)p?Tau蛋白表達(dá)量異常增多。p?Tau蛋白表達(dá)量增多是AD典型的分子生物學(xué)表現(xiàn),我們認(rèn)為,HT?22細(xì)胞經(jīng)OA處理后p?Tau表達(dá)量的顯著增加可以作為一種模型研究AD病理特征的改變。
Aβ是一種淀粉樣蛋白沉積,是AD 患者腦內(nèi)細(xì)胞外老年斑的主要組成部分[17],病理證實(shí),AD 患者Aβ主要沉積于腦部相關(guān)細(xì)胞的外部,同時(shí)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)后的病理檢查也證實(shí)AD 模擬動(dòng)物的Aβ也同樣沉積于相關(guān)細(xì)胞外[18]。Aβ沉積與相關(guān)細(xì)胞的凋亡進(jìn)程及細(xì)胞凋亡后的變化有關(guān)[19]。
有研究顯示,OA 作用于PC12 等細(xì)胞進(jìn)行AD造模后細(xì)胞內(nèi)Aβ表達(dá)量上升[20],也有文獻(xiàn)表明,AD模型細(xì)胞內(nèi)雖然有Aβ的增加,但其表達(dá)量因條件不同而具有擺動(dòng)性[19-21]。由于本研究用OA 處理HT?22細(xì)胞后,有更加直觀的細(xì)胞內(nèi)p?Tau、t?Tau表達(dá)量變化作為造模指標(biāo)測定,而Aβ沉積部位主要位于細(xì)胞外并且其生成過程有階段性,對后續(xù)實(shí)驗(yàn)可能會(huì)造成干擾,所以本研究未將細(xì)胞內(nèi)Aβ表達(dá)量增加作為AD造模成功的另一個(gè)觀測指標(biāo),未檢測OA應(yīng)用前后細(xì)胞內(nèi)Aβ表達(dá)量的變化。
不同濃度的OA(20、40、60、80、100 nmol/L)分別作用小鼠海馬神經(jīng)元HT?22 細(xì)胞24 h 后,細(xì)胞活力受到抑制,呈濃度依賴性下降,其中80 nmol/L OA 處理組,細(xì)胞活力下降接近IC50,我們選擇80 nmol/L OA 作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的損傷濃度。ROS主要由線粒體在能量代謝過程中產(chǎn)生,線粒體損傷等多種途徑可引起細(xì)胞內(nèi)ROS 蓄積。氧化應(yīng)激反應(yīng)可使ROS 量增多,如果組織細(xì)胞內(nèi)ROS量升高超過機(jī)體清除能力,ROS 的產(chǎn)生和清除將處于失衡狀態(tài),可導(dǎo)致細(xì)胞死亡。流式細(xì)胞儀檢測結(jié)果顯示OA 誘導(dǎo)后,細(xì)胞內(nèi)ROS 異常增高,細(xì)胞發(fā)生早期凋亡,并且早期凋亡率隨OA濃度的增加呈明顯上升的趨勢。免疫印跡實(shí)驗(yàn)證明了此結(jié)論,OA 誘導(dǎo)HT?22 細(xì)胞后,抗凋亡蛋白Bcl?2 表達(dá)量下降,凋亡蛋白Cleaved?cas?pase?3表達(dá)量明顯增高。
慢性炎癥反應(yīng)是AD 的重要發(fā)病機(jī)制之一,姜黃素可抑制主要炎癥介質(zhì),包括環(huán)氧合酶?1、環(huán)氧合酶?2、干擾素?C 以及抑制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子(AP?1、NF?κB)的活性,激活NF?κB 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路后可以促進(jìn)下游基因的表達(dá),發(fā)揮抗炎效應(yīng)[22-24]。本研究中,與OA組相比,姜黃素作用OA損傷的HT?22細(xì)胞后,促進(jìn)細(xì)胞活性,降低其凋亡率,減弱OA損傷導(dǎo)致的氧化應(yīng)激反應(yīng),減弱細(xì)胞內(nèi)活性氧生成,同時(shí)Bcl?2表達(dá)量增高、Cleaved?caspase?3蛋白表達(dá)量降低,表明姜黃素對OA損傷的HT?22細(xì)胞起到一定的保護(hù)作用。
目前,Tau蛋白過磷酸化被公認(rèn)為對AD的發(fā)生有重要意義,過度磷酸化的Tau 蛋白可降低微管穩(wěn)定性,損害神經(jīng)元功能[25-26]。在AD模型小鼠中,Tau蛋白水平明顯高于正常對照小鼠,并且過度磷酸化Tau蛋白在其發(fā)病機(jī)制中起主要作用[27]。研究表明,OA 誘導(dǎo)HT?22 細(xì)胞后,t?Tau、p?Tau 蛋白表達(dá)量增高,而姜黃素作用OA損傷的細(xì)胞后,t?Tau、p?Tau蛋白表達(dá)量降低,說明姜黃素的應(yīng)用可抑制OA 誘導(dǎo)的HT?22細(xì)胞內(nèi)總Tau蛋白的表達(dá)及其過磷酸化,姜黃素對OA損傷的HT?22細(xì)胞有保護(hù)作用。
總之,本研究結(jié)果表明,OA 誘導(dǎo)HT?22 細(xì)胞后細(xì)胞內(nèi)ROS 含量增高,細(xì)胞早期凋亡細(xì)胞增加,凋亡相關(guān)蛋白表達(dá)量變化明顯,細(xì)胞內(nèi)t?Tau、p?Tau蛋白量增高,而應(yīng)用姜黃素后可以有效改善OA 損傷后HT?22細(xì)胞的狀態(tài),促進(jìn)細(xì)胞增殖,降低損傷蛋白的表達(dá)量,對細(xì)胞起到明顯的保護(hù)作用。姜黃素作為一種抗氧化劑,所具有的抗AD作用,可作為AD治療的新思路,提示有必要對抗氧化劑在AD發(fā)生發(fā)展中的作用進(jìn)行更深入的研究。