衛(wèi)智權(quán),陳柏承,陳儀新,閻 莉
(廣西中醫(yī)藥大學(xué),廣西 南寧 530200)
阿爾茨海默?。╝lzheimer's disease,AD)已經(jīng)成為日益困擾社會(huì)的公共衛(wèi)生問(wèn)題。AD 患者的數(shù)量迅速增加,不僅嚴(yán)重困擾AD 患者及其家人,也造成了社會(huì)衛(wèi)生服務(wù)的沉重負(fù)擔(dān)。2000 年至2018 年,美國(guó)死于心臟病的人數(shù)下降了7.8%,而同期死于AD的人數(shù)增加了146%,這一數(shù)字對(duì)比直觀且量化地反映了有效應(yīng)對(duì)AD 需要面對(duì)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。迄今為止,對(duì)于AD 的病因仍無(wú)確切的結(jié)論,然而β 淀粉樣蛋白(beta-amyloid protein,Aβ)毒性學(xué)說(shuō)仍被視為AD 發(fā)病的主要原因之一。在AD 的病理過(guò)程中,神經(jīng)炎癥貫穿整個(gè)過(guò)程。早在AD發(fā)現(xiàn)之初,神經(jīng)病理學(xué)家就認(rèn)識(shí)到AD 患者的腦內(nèi)存在明顯的膠質(zhì)細(xì)胞增生,在AD 轉(zhuǎn)基因小鼠的腦內(nèi)也廣泛存在Aβ 誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞(astrocyte)的活化,其結(jié)果就是腫瘤壞死因子 α(tumor necrosis factor α,TNF-α)等致炎細(xì)胞因子與炎癥細(xì)胞趨化因子的過(guò)量產(chǎn)生,促進(jìn)了AD的病理進(jìn)程[2-3]。因此,以抑制神經(jīng)炎癥為靶點(diǎn),從天然產(chǎn)物中尋找有價(jià)值的先導(dǎo)化合物,以此為基礎(chǔ)研發(fā)防治AD 的藥物,可能是未來(lái)AD 藥物研發(fā)的有效途徑[4]。
廣西壯族、瑤族先民長(zhǎng)期使用漆樹(shù)科植物芒果MangiferaindicaL.的葉治療支氣管炎等炎癥性疾病。研究表明,芒果苷(mangiferin)是芒果葉的主要活性成分,具有較好的抗炎活性[5-8]。芒果苷還可下調(diào)細(xì)胞內(nèi)干擾素調(diào)節(jié)因子5(interferon regulatory fac?tor 5,IRF5)表達(dá),顯著抑制巨噬細(xì)胞循經(jīng)典激活途徑誘導(dǎo)分化為致炎表型的M1 型巨噬細(xì)胞[9]。星形膠質(zhì)細(xì)胞與巨噬細(xì)胞的生物學(xué)特性具有許多相似之處[10]。作為一種重要的細(xì)胞因子,IRF5介導(dǎo)并維持巨噬細(xì)胞致炎表型[9],但I(xiàn)RF5 對(duì)于星形膠質(zhì)細(xì)胞是否也具有類(lèi)似的生物學(xué)作用,以及芒果苷是否具有基于抑制IRF5 表達(dá)而拮抗Aβ 誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞活化的藥理作用,目前尚未有報(bào)道。本研究嘗試以Aβ1-40體外誘導(dǎo)U251 人星形神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞活化,進(jìn)而探討芒果苷基于抑制IRF5 表達(dá)而發(fā)揮抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞活化的藥理作用,為芒果葉資源的開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。
1.1 細(xì)胞株 U251人星形神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞株,購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院昆明細(xì)胞庫(kù)。
1.2 主要試劑 芒果苷(美國(guó)Sigma 公司,批號(hào)BCBN9864V);Aβ1-40(美 國(guó) Sigma 公 司 ,批 號(hào)028M4864V);DMEM 高糖細(xì)胞培養(yǎng)基(美國(guó)Gibco 公司,批號(hào)2085119);胎牛血清(FBS,美國(guó)Gibco 公司,批號(hào)1828728);磷酸鹽緩沖液(PBS,美國(guó)Gibco 公司,批號(hào)8117266);Accutase 膠原酶細(xì)胞解離液(美國(guó) eBioscience 公司,批號(hào) E00023-1662);CCK-8 細(xì)胞增殖活性檢測(cè)試劑盒(日本同仁化學(xué)研究所,批號(hào)DV652);人TNF-α 酶聯(lián)免疫吸附(ELISA)檢測(cè)試劑盒(武漢華美公司,批號(hào)D27014434);組織細(xì)胞裂解液(北京索萊寶公司,批號(hào)20190903);蛋白濃度測(cè)定試劑盒(北京索萊寶公司,批號(hào)20190910);蛋白電泳預(yù)制膠(北京索萊寶公司,批號(hào)20190923);Image-it?Fix-Permkit 細(xì)胞固定與透化試劑盒(美國(guó)Life Tech?nologies 公司,批號(hào) 1968179);Nuc Blue Fixed Cell Ready Probes Reagent 細(xì)胞核4,6-二氨基-2-苯基吲哚(DAPI)染料(美國(guó) Life Technologies 公司,批號(hào)1921604);兔抗人IRF5 單抗(美國(guó)Abcam 公司,批號(hào)GR3248905-2);小鼠抗人磷酸甘油醛脫氫酶(GAP?DH)單抗(美國(guó)Abcam 公司,批號(hào)GR202362-1);辣根過(guò)氧化物酶(HRP)標(biāo)記羊抗兔IgG抗體(上海生工公司,批號(hào) F902AA0024);HRP 標(biāo)記羊抗小鼠IgG 抗體(上海生工公司,批號(hào)E326AA0001);Alexa Fluor 488 標(biāo)記羊抗兔IgG 抗體(上海碧云天公司,批號(hào)102419191119)。
1.3 主要儀器 Mini-PROTEAN 型垂直電泳儀和Mini Trans-blot 型轉(zhuǎn)印儀(美國(guó) Bio-Rad 公司);Chemi Doc 成像系統(tǒng)(美國(guó)Bio-Rad 公司);5430R 小型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)(德國(guó)Eppendorf 公司);Infi?nite 200 Pro多功能微孔板檢測(cè)儀(瑞士Tecan公司);SP5Ⅱ激光掃描共聚焦顯微分析系統(tǒng)(德國(guó)Leica公司)。
2.1 U251細(xì)胞培養(yǎng) 采用DMEM高糖培養(yǎng)基,加入終濃度 10% FBS、100 IU/ml 青霉素和 100 mg/L 鏈霉素。以2×105個(gè)/ml的初始細(xì)胞濃度接種于細(xì)胞培養(yǎng)瓶,培養(yǎng)條件為37 ℃、5% CO2、飽和濕度,于CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱培養(yǎng)。待培養(yǎng)容器底部細(xì)胞生長(zhǎng)面積達(dá)到70%,則進(jìn)行細(xì)胞傳代操作,傳代周期約3 d。
2.2 芒果苷的細(xì)胞安全性測(cè)試 取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的U251 細(xì)胞,以膠原酶細(xì)胞解離液處理,獲得單個(gè)U251 細(xì)胞,以 1×105個(gè)/ml 的初始細(xì)胞濃度接種于96 孔細(xì)胞培養(yǎng)板。設(shè)置無(wú)藥物處理的為正常對(duì)照組,以及每孔加入芒果苷終濃度分別為12.5 μmol/L、25 μmol/L、50 μmol/L、100 μmol/L、200 μmol/L 的芒果苷各濃度處理組,各設(shè)置3 個(gè)復(fù)孔。置于37 ℃、5% CO2、飽和濕度的細(xì)胞培養(yǎng)箱中,繼續(xù)培養(yǎng)24 h。繼而每孔加入CCK8 工作液10 μl,繼續(xù)孵育2 h。收集培養(yǎng)上清液,以酶標(biāo)儀于450 nm 處讀取各微孔的光吸收度數(shù)值。根據(jù)細(xì)胞安全性測(cè)試數(shù)據(jù)選擇后續(xù)實(shí)驗(yàn)的芒果苷安全濃度。
2.3 Aβ1-40誘導(dǎo)U251 細(xì)胞活化模型的建立 取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的U251 細(xì)胞,以膠原酶細(xì)胞解離液處理,獲得單個(gè)U251 細(xì)胞,以1×105個(gè)/ml的初始細(xì)胞濃度接種于96 孔細(xì)胞培養(yǎng)板。設(shè)置正常對(duì)照組、模型對(duì)照組(接受終濃度為20 μmol/L 的Aβ1-40孵育24 h后誘導(dǎo)細(xì)胞活化)[11],各設(shè)置 3 個(gè)復(fù)孔。置于 37 ℃、5% CO2、飽和濕度的細(xì)胞培養(yǎng)箱中,繼續(xù)培養(yǎng)24 h。繼而收集培養(yǎng)上清液,以ELISA檢測(cè)TNF-α水平,評(píng)價(jià)建模方法的有效性。
2.4 芒果苷干預(yù)Aβ1-40誘導(dǎo)的U251 細(xì)胞活化 取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的U251 細(xì)胞,以膠原酶細(xì)胞解離液處理,獲得單個(gè) U251 細(xì)胞,以 1×105個(gè)/ml 的初始細(xì)胞濃度接種于96 孔細(xì)胞培養(yǎng)板。設(shè)置正常對(duì)照組、模型對(duì)照組(接受終濃度為20 μmol/L 的 Aβ1-40孵育24 h 后誘導(dǎo)細(xì)胞活化)、芒果苷干預(yù)組(接受終濃度為100 μmol/L 的芒果苷預(yù)孵育12 h,再接受終濃度為20 μmol/L 的Aβ1-40孵育24 h 后誘導(dǎo)細(xì)胞活化),各設(shè)4 個(gè)復(fù)孔。置于37 ℃、5% CO2、飽和濕度的細(xì)胞培養(yǎng)箱中,繼續(xù)培養(yǎng)24 h。繼而收集培養(yǎng)上清液,以 ELISA 檢測(cè) TNF-α 水平;每組收集 3 個(gè)復(fù)孔的細(xì)胞,用于蛋白免疫印跡(western blotting,WB)檢測(cè)細(xì)胞IRF5 的表達(dá)水平;余下1 個(gè)復(fù)孔用于激光掃描共聚焦顯微分析細(xì)胞IRF5原位表達(dá)情況。
2.5 激光掃描共聚焦顯微分析細(xì)胞IRF5 表達(dá) 仔細(xì)吸除96 孔細(xì)胞培養(yǎng)板的培養(yǎng)液,PBS 洗3 次。以Image-itFix-Permkit 進(jìn)行細(xì)胞固定與透化,加入1∶500 稀釋的兔抗人 IRF5 單抗,4 ℃避光孵育過(guò)夜。仔細(xì)吸除一抗孵育液,PBS 洗3 次,加入Alexa Fluor 488 標(biāo)記羊抗兔IgG 抗體(稀釋度1∶1 000),25 ℃避光孵育2 h。仔細(xì)吸除二抗孵育液,PBS 洗3次,加入細(xì)胞核 DAPI 染料,25 ℃避光孵育 15 min。PBS 洗 3次,以SP5Ⅱ激光掃描共聚焦顯微分析系統(tǒng)成像。
2.6 WB 檢測(cè)細(xì)胞IRF5 表達(dá) 仔細(xì)吸除96 孔細(xì)胞培養(yǎng)板的培養(yǎng)液,PBS 洗3 次,加入適量4 ℃預(yù)冷的PBS,1 000 r/min離心5 min。小心去除上清液,加入10倍體積組織細(xì)胞裂解液,立即置于4 ℃孵育20 min,而后12 000 r/min 離心5 min,取上清液。準(zhǔn)備蛋白電泳預(yù)制膠,上樣量為每孔20 μg總蛋白。垂直電泳條件為恒壓100 V,指示劑泳動(dòng)至凝膠中下部時(shí)停止。采用濕法轉(zhuǎn)膜,4 ℃一抗孵育過(guò)夜,IRF5 單抗、GAPDH 單抗稀釋倍數(shù)均為1∶1 200。一抗孵育結(jié)束,1∶3 000 稀釋的二抗室溫孵育 60 min,ECL 超敏化學(xué)發(fā)光液孵育3 min,即以Chemi Doc 成像系統(tǒng)測(cè)定并計(jì)算目的蛋白IRF5 與內(nèi)參蛋白GAPDH 條帶灰度的比值,作為蛋白的相對(duì)表達(dá)水平。
2.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 12.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差()表示,方差齊性數(shù)據(jù)采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(兩組間均數(shù)比較)或單因素方差分析LSD 檢驗(yàn)(多組間均數(shù)比較),方差不齊數(shù)據(jù)采用秩和檢驗(yàn)。以P<0.05 為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
3.1 芒果苷對(duì)U251細(xì)胞的安全性測(cè)試結(jié)果 見(jiàn)表1。與未經(jīng)藥物處理的正常對(duì)照組比較,12.5 μmol/L、25 μmol/L、50 μmol/L、100 μmol/L 的芒果苷孵育對(duì)于細(xì)胞的增殖活性無(wú)明顯影響,而200 μmol/L 的芒果苷孵育可降低細(xì)胞增殖活性(P<0.01)。故選擇100 μmol/L為后續(xù)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的芒果苷適宜濃度。
表1 芒果苷的細(xì)胞安全性測(cè)試結(jié)果 ()
表1 芒果苷的細(xì)胞安全性測(cè)試結(jié)果 ()
注:與正常對(duì)照組比較,①P<0.01
組 別正常對(duì)照組芒果苷12.5 μmol/L濃度組芒果苷25 μmol/L濃度組芒果苷50 μmol/L濃度組芒果苷100 μmol/L濃度組芒果苷200 μmol/L濃度組n3 3 3 3 3 3藥物濃度(μmol/L)0 12.5 25 50 100 200細(xì)胞安全性(%)100.00±17.26 99.85±8.63 101.32±1.44 103.23±4.88 101.49±1.99 93.01±1.54①
3.2 Aβ1-40誘導(dǎo)U251 細(xì)胞活化模型的建立與驗(yàn)證 模型對(duì)照組培養(yǎng)上清液中的TNF-α水平為(127.60±8.19)pg/ml,顯著高于正常對(duì)照組的(60.01±4.52)pg/ml,兩組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。
3.3 芒果苷對(duì)Aβ1-40誘導(dǎo)的U251 細(xì)胞活化與IRF5蛋白表達(dá)的影響 見(jiàn)表2、圖1。模型對(duì)照組培養(yǎng)上清液中的TNF-α 水平及IRF5 蛋白表達(dá)水平顯著高于正常對(duì)照組(P<0.01);與模型對(duì)照組比較,100 μmol/L 芒果苷預(yù)處理后明顯降低了培養(yǎng)上清液中的 TNF-α 水平及 IRF5 蛋白表達(dá)水平(P<0.05 或P<0.01)。
表2 芒果苷干預(yù)對(duì)Aβ1-40誘導(dǎo)的U251細(xì)胞活化及IRF5蛋白表達(dá)的影響 ()
表2 芒果苷干預(yù)對(duì)Aβ1-40誘導(dǎo)的U251細(xì)胞活化及IRF5蛋白表達(dá)的影響 ()
注:與正常對(duì)照組比較,①P<0.01;與模型對(duì)照組比較,②P<0.05,③P<0.01
組 別正常對(duì)照組模型對(duì)照組芒果苷100 μmol/L濃度組n3 3 3 TNF-α(pg/ml)52.21±1.24 122.54±0.90①73.15±0.30③IRF5蛋白表達(dá)0.54±0.12 0.98±0.09①0.73±0.04②
圖1 各組細(xì)胞IRF5蛋白條帶表達(dá)圖
3.4 芒果苷對(duì)Aβ1-40誘導(dǎo)的U251 細(xì)胞IRF5 蛋白原位表達(dá)的影響 激光掃描共聚焦顯微分析IRF5 原位表達(dá)的結(jié)果與WB檢測(cè)一致,見(jiàn)圖2。
多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),神經(jīng)炎癥在AD病理進(jìn)程的極早期即已出現(xiàn),而此時(shí)尚未觀察到明顯的Aβ斑塊和神經(jīng)纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles,NFTs),此現(xiàn)象表明神經(jīng)炎癥是導(dǎo)致Aβ 斑塊與NFTs 形成的重要原因,也是AD病理進(jìn)程中不依賴(lài)于Aβ斑塊與NFTs觸發(fā)的主動(dòng)病理反應(yīng)[12-13]。中樞神經(jīng)系統(tǒng)的免疫細(xì)胞種類(lèi)與外周循環(huán)以及其他臟器有所不同,在血腦屏障形態(tài)與功能相對(duì)完整的情況下,外周循環(huán)的巨噬細(xì)胞與淋巴細(xì)胞等免疫細(xì)胞不能穿透血腦屏障進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。中樞神經(jīng)系統(tǒng)固有的小膠質(zhì)細(xì)胞與星形膠質(zhì)細(xì)胞承擔(dān)了與巨噬細(xì)胞類(lèi)似的吞噬、處理病理性抗原的功能,因此,星形膠質(zhì)細(xì)胞是參與神經(jīng)炎癥的主要炎癥細(xì)胞之一。星形膠質(zhì)細(xì)胞表面的模式識(shí)別受體可為Aβ寡聚體及神經(jīng)炎性斑塊激活,進(jìn)而激活下游的絲裂原活化蛋白激酶細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,引起病理性炎癥損傷,因此,參與神經(jīng)炎癥的星形膠質(zhì)細(xì)胞可以與AD病理進(jìn)程產(chǎn)物Aβ構(gòu)成相互促進(jìn)的閉環(huán)系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)炎癥與AD的自身循環(huán)加強(qiáng)過(guò)程[14]。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中星形膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量遠(yuǎn)超小膠質(zhì)細(xì)胞,因而其發(fā)揮的促神經(jīng)炎癥作用無(wú)法忽視?;罨男切文z質(zhì)細(xì)胞表達(dá)高水平的趨化因子CXCL10,而高水平的趨化因子CXCL10 進(jìn)一步誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞向Aβ斑塊遷移和聚集,維持并不斷擴(kuò)展神經(jīng)炎癥、Aβ 斑塊的范圍[15]。此外,活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生大量促炎細(xì)胞因子、炎癥介質(zhì)以及小分子信號(hào)因子,如TNF-α、白細(xì)胞介素1β、γ-干擾素、一氧化氮等,可進(jìn)一步誘導(dǎo)Aβ 的產(chǎn)生和沉積,進(jìn)而發(fā)揮強(qiáng)而持續(xù)的神經(jīng)細(xì)胞毒作用[16]。上述惡性循環(huán)導(dǎo)致炎癥反應(yīng)不斷加重、Aβ 沉積增多和神經(jīng)細(xì)胞損傷,加速了AD 進(jìn)程。上述研究結(jié)果表明,星形膠質(zhì)細(xì)胞活化導(dǎo)致的神經(jīng)炎癥機(jī)制與其他機(jī)制相互聯(lián)系,共同損傷神經(jīng)細(xì)胞,促進(jìn)AD 進(jìn)展。Aβ的持續(xù)刺激會(huì)使星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放大量炎癥因子,如白細(xì)胞介素1β、γ-干擾素、TNF-α 等加重炎癥反應(yīng),損傷神經(jīng)細(xì)胞,促使Aβ 沉積;所釋放的炎癥因子反過(guò)來(lái)又激活更多星形膠質(zhì)細(xì)胞形成炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng),從而導(dǎo)致AD 不斷惡化[17-18]。此外,活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞的病理產(chǎn)物,例如大量促炎細(xì)胞因子、趨化因子、炎癥介質(zhì)以及小分子信號(hào)因子,強(qiáng)烈促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的骨架蛋白的重要成分Tau 蛋白的磷酸化過(guò)程,導(dǎo)致Tau蛋白的過(guò)度磷酸化;過(guò)磷酸化的Tau蛋白的空間構(gòu)象發(fā)生較大改變,與細(xì)胞微管結(jié)構(gòu)的親和力明顯降低,極易從細(xì)胞微管解離而轉(zhuǎn)為游離態(tài)Tau蛋白;過(guò)磷酸化的游離態(tài)Tau 蛋白的溶解性顯著降低,在分子斥力的推動(dòng)下互相聚合,進(jìn)而形成NFTs[19-20]。由上可知,活化星形膠質(zhì)細(xì)胞參與的神經(jīng)炎癥直接促進(jìn)了Aβ 沉積、NFTs、神經(jīng)細(xì)胞損傷的發(fā)生與發(fā)展,是導(dǎo)致AD 進(jìn)行性惡化的重要因素。
天然產(chǎn)物是研發(fā)治療AD 或延緩其進(jìn)展的藥物的重要來(lái)源,已有從植物、微生物和海洋動(dòng)植物中尋找防治AD 的有效成分的相關(guān)報(bào)道[21-22]。中國(guó)學(xué)者從千層塔中開(kāi)發(fā)的膽堿酯酶抑制劑石杉?jí)A甲,已經(jīng)用于AD 臨床治療[23]。芒果苷具有顯著的抗炎作用,其抗炎作用的藥效機(jī)制呈現(xiàn)多靶點(diǎn)、多途徑的特征,具備成為抑制神經(jīng)炎癥的候選天然產(chǎn)物的潛質(zhì)。本研究中,Aβ1-40體外可以成功誘導(dǎo)U251 人星形神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞活化,顯著增加其釋放的TNF-α 數(shù)量,明顯上調(diào)細(xì)胞IRF5表達(dá)水平,提示IRF5在介導(dǎo)并維持Aβ 誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞活化的過(guò)程中扮演了重要角色。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,安全濃度的芒果苷預(yù)處理后可明顯抑制Aβ1-40誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞活化效應(yīng),顯著下調(diào)細(xì)胞IRF5 表達(dá)水平,進(jìn)一步佐證了IRF5 表達(dá)水平與星形膠質(zhì)細(xì)胞活化密切相關(guān)的推測(cè),也提示下調(diào)IRF5 表達(dá)或許是芒果苷發(fā)揮抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞活化的重要作用機(jī)制。
本研究表明,IRF5 可能是調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞活化的潛在藥物作用靶點(diǎn),具有進(jìn)一步深入研究的價(jià)值。鑒于芒果苷的良好抗炎活性與生物安全性,下一步應(yīng)開(kāi)展動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證芒果苷抑制Aβ誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞活化的體內(nèi)活性,為芒果苷在神經(jīng)退行性疾病防治領(lǐng)域的合理應(yīng)用、藥物作用的分子機(jī)制提供更豐富的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。