崔雪嬌,佟瀟禹,張彥龍,,曾偉民,
(1黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/黑龍江省普通高校微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150080;2黑龍江大學(xué)/農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心,哈爾濱 150500)
刺五加(Acanthopanax senticosus)為五加科五加屬植物,主要產(chǎn)自黑龍江、吉林、遼寧、河北等地[1]?,F(xiàn)代研究表明,刺五加中含有三萜類、苯丙素類、甾體類等多種活性成分[2-5],刺五加多糖是刺五加中的重要組成成分之一,作為一種生物活性大分子,已被證實(shí)在抗腫瘤、增強(qiáng)機(jī)體免疫力、抗疲勞、抗氧化等方面[6-9]有著重要作用。目前,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者主要偏向于對(duì)刺五加根、莖、葉中多糖[10-11]的結(jié)構(gòu)及活性進(jìn)行研究,對(duì)刺五加果多糖鮮有報(bào)道。刺五加果是一種外表黑色的小果實(shí),果期在8—10月,可以起到調(diào)節(jié)神經(jīng)、治療心血管疾病、淡化色斑等作用[12-14]。除可入藥外,刺五加果實(shí)在食品、保健品[15]方面也有著廣泛的應(yīng)用前景,是一種保健養(yǎng)生功能出色的藥材和食材。刺五加根、莖的多糖已被證實(shí)能夠抑制腫瘤細(xì)胞增殖并促進(jìn)其凋亡。初期研究發(fā)現(xiàn)刺五加果實(shí)部位中含有大量的多糖類成分,但目前關(guān)于刺五加果實(shí)部位的結(jié)構(gòu)解析與活性研究較少,尚未見(jiàn)關(guān)于抗癌活性的報(bào)道。本研究期望得到刺五加果中活性較高的均一分子量多糖,并采用GPC、IR、HPLC等方法對(duì)其相對(duì)分子量、官能團(tuán)構(gòu)成、單糖組成等方面進(jìn)行探究。以高發(fā)性惡性腫瘤細(xì)胞系人肺癌細(xì)胞A549為研究對(duì)象,研究目標(biāo)多糖對(duì)肺癌A549細(xì)胞的體外作用效果,為刺五加果實(shí)體部位的進(jìn)一步開發(fā)提供一定的參考。
試驗(yàn)于2020年10月—2021年1月在黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。
刺五加果實(shí)(Acanthopanax senticosus),由海林藥業(yè)公司于2019年提供,產(chǎn)自黑龍江省勃利縣。人肺癌A549細(xì)胞株購(gòu)于北納創(chuàng)聯(lián)生物技術(shù)研究院。D-葡萄糖醛酸(批號(hào)6556-12-3,質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%)、D-木糖(批號(hào)10010-10210,質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%)、L-阿拉伯糖(批號(hào)5328-37-0,質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%)、D-半乳糖醛酸(批號(hào)91510-62-2,質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%)、L-鼠李糖(批號(hào)10030-85-0,質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%)、D-甘露糖(批號(hào)140571-21164,質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98.5%)、D-半乳糖(批號(hào)59-23-4,質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98.5%)、無(wú)水葡萄糖(批號(hào)10056-21790,質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%)、色譜乙腈等均購(gòu)于天津市科密歐公司;透析袋(北京經(jīng)科宏達(dá)公司),截留相對(duì)分子量3000;CCK-8試劑盒(海基生物科技有限公司);Caspase-3,8,9活性檢測(cè)試劑盒(碧云天);DEAE-52陰離子纖維素,Sephadex G-200葡聚糖凝膠購(gòu)自上海源葉生物化學(xué)試劑有限公司;UNIQ-10柱式Trizol總RNA抽提試劑盒(生工生物)。
RE52-AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,上海亞榮生化儀器廠;電恒溫水浴鍋,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;高效液相色譜儀,日本島津;紫外分光光度計(jì),上海儀電分析儀器有限公司;分析天平,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;iMark型酶標(biāo)儀,美國(guó)伯樂(lè);傅里葉變換紅外吸收光譜儀,賽默飛世爾;電泳儀,北京六一;定量PCR儀,StepOne Plus型(ABI,F(xiàn)oster,CA,USA)。
1.3.1 刺五加果多糖的提取純化 取干燥的刺五加果實(shí)1 kg,粉碎過(guò)篩20目,石油醚回流脫脂2次,一次3 h,藥渣置于通風(fēng)櫥自然風(fēng)干。90℃條件下,按料液比1:40浸提2次,一次3 h,過(guò)濾后濃縮提取液,加無(wú)水乙醇至80%濃度,過(guò)夜沉淀,離心后凍干,Sevage法脫蛋白質(zhì)至考馬斯亮藍(lán)檢測(cè)為陰性,得到粗多糖ASP。稱取30 g ASP溶解在蒸餾水中,將其通過(guò)2個(gè)串聯(lián)的樹脂柱[11],用0.5、1.0、1.5 mol/L的NaCl溶液進(jìn)行梯度洗脫,脫去色素及殘留蛋白質(zhì),得到ASPA(3.2 g)、ASPB(16.8 g)、ASPC(5.7 g)3組餾分,選擇收率最高的ASPB通過(guò)DEAE-52柱層析,依次選擇0.1、0.2、0.3 mol/L NaCl溶液洗脫,流速控制1.0 mL/min,得到3組極分,分別命名為ASPB-1、ASPB-2、ASPB-3,經(jīng)體外抗肺癌篩選試驗(yàn)后,確定ASPB-3為作用最佳餾分,將ASPB-3透析72 h后,通過(guò)Sephadex G-200葡聚糖凝膠柱層析,控制流速15 mL/h,ddH2O洗脫,檢測(cè)合并相應(yīng)管數(shù),凍干后得到均一分子量多糖,命名為ASPF。
1.3.2 ASPF的分析鑒定
(1)ASPF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定。采用苯酚-硫酸法[16]、Bradford法[17]、硫酸-咔唑法[18]分別檢測(cè)ASPF中的糖、蛋白質(zhì)、糖醛酸。
(2)ASPF的相對(duì)分子量測(cè)定。色譜條件:Tskgel G2500PWXL色譜柱(250 mm×4.6 mm),示差折光檢測(cè)器RID-20A(+),流動(dòng)相為超純水,流速0.8 mL/min,進(jìn)樣量20 μL,柱溫40℃。
將樣品ASPF用流動(dòng)相溶解并配制濃度為2mg/mL,測(cè)定其純度。再將不同分子量葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品(12000、25000、50000、270000、410000)按照其相對(duì)分子質(zhì)量從大到小依次進(jìn)樣,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到回歸方程,計(jì)算樣品的相對(duì)分子質(zhì)量Mw值。
(3)ASPF的紅外光譜分析。稱取3.0 mg ASPF樣品,1:100與KBr粉末研磨均勻,壓片,在400~4000 cm-1波長(zhǎng)下掃描。
(4)ASPF的單糖組成測(cè)定。精密稱取標(biāo)準(zhǔn)品甘露糖、鼠李糖、木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸,用超純水配制成3 mmol/L的水溶液,制備成混合單糖對(duì)照品水溶液,并用同樣的處理方法將各單糖配制成為3 mmol/L水溶液。精密稱取10 mg ASPF于安瓿瓶中,加3 mL體積2.0 mol/L三氟乙酸(TFA),熔封瓶口后于110℃條件下水解180 min,制得樣品水解液,加甲醇反復(fù)濃縮至無(wú)酸味,2 mL超純水溶解水解產(chǎn)物,備用。
取各標(biāo)準(zhǔn)單糖、混合單糖水溶液及水解樣品溶液1.2 mL于5.0 mL離心管中,分別依次加入600 μL 0.5mol/L的PMP甲醇溶液與0.3mol/L的NaOH溶液,混勻后于75℃水浴中反應(yīng)30 min,冷卻至室溫,用600 μL 0.3 mol/L的鹽酸溶液中和,依次用等體積的乙酸異戊酯、氯仿溶液萃取2次,離心(5000 r/min,5 min),吸取目標(biāo)層,0.22 μm微孔濾膜過(guò)濾,待用。
色譜條件為:Diamonsil C-18柱(250 mm×4.6 mm),流動(dòng)相為乙腈-磷酸緩沖鹽溶液(17:83),柱溫40℃,檢測(cè)波長(zhǎng)245 nm,流速1.0 mL/min,進(jìn)樣量20 μL。
1.3.3 ASPF的抗肺癌活性研究
(1)倒置顯微鏡觀察。培養(yǎng)A549細(xì)胞至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,均勻接種到六孔板中,過(guò)夜培養(yǎng)至細(xì)胞密度80%。用無(wú)菌水溶解3.2 mg樣品,2倍稀釋至100、200、400、800 μg/mL,樣品組為不同濃度ASPF,對(duì)照組為空白水溶液,培養(yǎng)48 h后吸盡培養(yǎng)液,PBS漂洗3次,于倒置顯微鏡下鏡檢。
(2)CCK-8法檢測(cè)A549細(xì)胞存活率。96孔板設(shè)置空白組、對(duì)照組和樣品組。空白組添加空白培養(yǎng)基,對(duì)照組與樣品組添加均勻的細(xì)胞懸浮液(細(xì)胞密度為5×103個(gè)/孔),周圍邊緣孔加PBS溶液。樣品孔加入不同濃度的ASPF(25、50、100、200、400、800、1600 μg/mL),對(duì)照孔加入無(wú)菌水溶液,培養(yǎng)24、48 h。每孔加入20 μLCCK-8溶液,培養(yǎng)2 h,使用酶標(biāo)儀在450 nm波長(zhǎng)下測(cè)定每孔吸光值,并依據(jù)式(1)計(jì)算肺癌A549細(xì)胞存活率。
(3)Caspase酶活性測(cè)定。使用Caspase-3,8,9試劑盒對(duì)A549細(xì)胞裂解液中Caspase酶活性進(jìn)行測(cè)定,對(duì)照組為培養(yǎng)基,樣品濃度選擇200、400 μg/mL。將A549細(xì)胞給藥處理,培養(yǎng)48 h后用PBS漂洗3次。胰酶消化后,按照說(shuō)明書要求加入細(xì)胞裂解液反應(yīng)15 min后,測(cè)定A549細(xì)胞裂解液中Caspase-3,8,9活性。
(4)RT-PCR檢測(cè)Bcl-2、Bax的mRNA表達(dá)量。培養(yǎng)3個(gè)平皿細(xì)胞至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,對(duì)照組細(xì)胞正常培養(yǎng),劑量組分別給藥200、400 μg/mL的ASPF。離心收集細(xì)胞,并按每5×107個(gè)細(xì)胞加入0.5 mL Trizol,遵循試劑盒說(shuō)明書操作提取細(xì)胞RNA。使用Primer Premier 5.0軟件設(shè)計(jì)引物,見(jiàn)表1,逆轉(zhuǎn)錄為cDNA后進(jìn)行PCR,每組反應(yīng)設(shè)置3個(gè)復(fù)孔,40個(gè)循環(huán),以Actin作為內(nèi)參物。反應(yīng)完成后,測(cè)定Ct值,并采用2-△△Ct法計(jì)算。
表1 引物序列
由計(jì)算得到,經(jīng)水提醇沉、Sevage法脫蛋白質(zhì)后得到的粗多糖得率為8.5%。如圖1所示,將陰陽(yáng)離子串聯(lián)樹脂柱洗出的餾分ASPB經(jīng)Cellulose DE-52陰離子交換柱分離得到ASPB-1、ASPB-2、ASPB-3,3個(gè)組分的抗肺癌活性初篩結(jié)果如圖2,ASPB-3對(duì)肺癌細(xì)胞的體外抑制效果最佳。ASPB-3的SephadexG-200洗脫曲線如圖3所示,合并20~32管得到多糖ASPF。
圖1 DEAE-52纖維素離子柱洗脫曲線
圖2 DEAE-52柱層析各組分對(duì)A549細(xì)胞增殖活性的影響
圖3 Sephadex G-200凝膠柱洗脫曲線
ASPF外表呈白色,外表蓬松,質(zhì)地輕,易溶于水,不溶于甲醇、丙酮等有機(jī)試劑。苯酚-硫酸法檢測(cè)ASPF的糖含量為89.8%,Bradford法未檢測(cè)到蛋白質(zhì)質(zhì)含量,硫酸-咔唑法檢測(cè)其糖醛酸含量為22.9%,為一種酸性多糖。
采用凝膠滲透色譜法鑒定ASPF純度發(fā)現(xiàn)色譜圖中峰形單一且對(duì)稱,表明該多糖分子量排布均一(圖4),紫外圖譜在220 nm處有一強(qiáng)吸收峰,為多糖的特征吸收峰,其他位置處(260~280 nm為核酸、蛋白質(zhì)的特征吸收區(qū))處均無(wú)吸收峰,表明已不存在蛋白質(zhì)、核酸等成分。根據(jù)計(jì)算得到回歸方程(2),將保留時(shí)間tR代入得到ASPF的重均相對(duì)分子量MW為97462。
圖4 ASPF HPGPC色譜圖
ASPF的IR掃描圖譜(圖5)中存在多糖的特征吸收峰。3392.79 cm-1處的強(qiáng)寬峰為羥基的特征吸收峰,2935.66 cm-1處有吸收峰,表明有C-H的伸縮振動(dòng),1710 cm-1處有吸收峰為C=O的伸縮振動(dòng),1620.21 cm-1處為C=O非對(duì)稱振動(dòng)吸收峰,證明ASPF中存在糖醛酸,1417.67 cm-1為糖醇羥基-C-OH的面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰,1101 cm-1附近的峰值確認(rèn)了C-O-C的存在,證明ASPF中的糖基為吡喃糖環(huán)構(gòu)型,772.62 cm-1處的典型峰表明其具有α-糖苷的構(gòu)型。
圖5 ASPF的IR掃描圖
以單糖標(biāo)準(zhǔn)品與ASPF水解物進(jìn)行保留時(shí)間比對(duì),最終確定ASPF由鼠李糖、半乳糖醛酸、葡萄糖、木糖、半乳糖、阿拉伯糖6種單糖組成(圖6~7、表2),物質(zhì)的量比為1:3.9:1.5:4.45:0.56:3.62。
圖6 單糖標(biāo)準(zhǔn)品液相色譜圖
圖7 ASPF單糖組成液相色譜圖
表2 標(biāo)準(zhǔn)品、樣品中單糖的保留時(shí)間
倒置顯微鏡下可觀察到陰性對(duì)照組細(xì)胞貼壁生長(zhǎng)狀態(tài)良好(圖8),主要呈現(xiàn)梭形,緊密排列。陽(yáng)性對(duì)照組姜黃素處理后細(xì)胞形態(tài)變圓,胞質(zhì)破碎,出現(xiàn)了嚴(yán)重的空泡化現(xiàn)象。在用100 μg/mL ASPF處理后,細(xì)胞外周出現(xiàn)皺縮,200 μg/mL ASPF作用下,細(xì)胞之間的連接性消失,在400 μg/mL給藥濃度下大部分細(xì)胞形態(tài)已經(jīng)變圓,細(xì)胞液中有大量死細(xì)胞漂浮,到800 μg/mL藥物作用濃度時(shí)細(xì)胞開始出現(xiàn)空泡化現(xiàn)象。
圖8 A549細(xì)胞凋亡形態(tài)變化的倒置顯微鏡圖片(200×)
ASPF作用下的人肺癌A549細(xì)胞存活率如圖9所示。當(dāng)作用時(shí)間為24、48 h時(shí),在25 μg/mL濃度時(shí)相比對(duì)照組出現(xiàn)顯著性差異,200 μg/mL時(shí)出現(xiàn)極顯著性差異。ASPF對(duì)A549細(xì)胞抑制效果顯著,且隨劑量依賴性上升。綜上說(shuō)明ASPF對(duì)肺癌A549細(xì)胞具有良好的抑制效果。*
圖9 不同濃度ASPF對(duì)A549細(xì)胞存活率的影響
細(xì)胞凋亡途徑主要分為外源性與內(nèi)源性凋亡途徑。在通常情況下,細(xì)胞膜表面的死亡受體受到刺激后會(huì)促使線粒體釋放細(xì)胞色素C,并增強(qiáng)Caspase-8的表達(dá),同時(shí)與Caspase-9而形成復(fù)合體,激活Caspase-3的表達(dá),從而啟動(dòng)激酶級(jí)聯(lián)反應(yīng),共同促進(jìn)細(xì)胞凋亡[19]。本研究采用Caspase活力測(cè)定試劑盒檢測(cè)了在ASPF的作用下,Caspase-3,8,9活力的變化(圖10),發(fā)現(xiàn)對(duì)照組細(xì)胞基本無(wú)變化,因此以對(duì)照組為參比,計(jì)算劑量組中Caspase酶的活力變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在ASPF處理組中,Caspase酶活力均有不同程度的上升,與對(duì)照組相比存在顯著性差異,其中以Caspase-3,8酶活力增強(qiáng)最為明顯,且隨劑量依賴式增長(zhǎng)。
圖10 ASPF對(duì)A549細(xì)胞Caspase酶活性的影響
同一家族的Bcl-2與Bax是2種重要的凋亡因子,能夠通過(guò)改變線粒體內(nèi)膜通透性而控制凋亡激活物產(chǎn)生。RNA的電泳結(jié)果如圖11所示,在ASPF處理48 h后,促凋亡基因Bax的mRNA表達(dá)量顯著上調(diào),而抑凋亡基因Bcl-2的mRNA表達(dá)量顯著下降(圖12)。因此,ASPF可能通過(guò)增強(qiáng)Bax的mRNA表達(dá)并下調(diào)Bcl-2表達(dá)而促進(jìn)細(xì)胞色素c的釋放,激活Caspase-9而產(chǎn)生凋亡小體,從而激活Caspase-3,最終達(dá)到促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡的效果。
圖11 RNA電泳檢測(cè)圖
圖12 ASPF對(duì)Bcl-2/Bax的mRNA表達(dá)量影響
結(jié)構(gòu)解析一直是多糖研究中的難點(diǎn),由于多糖的相對(duì)分子量大且純化難度較高,會(huì)給其結(jié)構(gòu)研究帶來(lái)較大干擾。目前對(duì)刺五加根莖中分離得到的多糖結(jié)構(gòu)研究較多,其單糖組成主要為甘露糖、木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖等常見(jiàn)單糖。本試驗(yàn)從刺五加果中純化得到的多糖ASPF,分子量為97462,主要由鼠李糖、半乳糖醛酸、葡萄糖、木糖、半乳糖、阿拉伯糖6種單糖組成,物質(zhì)的量之比為1:3.9:1.5:4.45:0.56:3.62,IR光譜推測(cè)ASPF中的糖基主要為吡喃構(gòu)型。比較特別的是在ASPF中,半乳糖醛酸的含量較高,通過(guò)糖醛酸含量的測(cè)定結(jié)果顯示其中糖醛酸含量高達(dá)22.9%,顯著高于根莖中多糖中糖醛酸的含量,與Xia等[11]從刺五加葉中分離出的ASP-B2、ASP-B3結(jié)構(gòu)較為相似。
肺癌是發(fā)病最快、死亡率最高的腫瘤疾病之一。化學(xué)治療、放射治療與手術(shù)治療方法是肺癌晚期重要的治療手段,但副作用極大。研究表明,靈芝多糖、黃芪多糖等中藥多糖對(duì)肺癌細(xì)胞增殖有著顯著抑制作用,對(duì)防止癌癥擴(kuò)散有著重要意義[20-21]。Zhao等[22]報(bào)道了從刺五加莖干部位提取得到的多糖ASPS對(duì)人肺癌H446細(xì)胞增殖有抑制作用,可以通過(guò)提高ERK與P38的活化阻滯細(xì)胞周期,進(jìn)而達(dá)到抑制腫瘤細(xì)胞增殖的效果。本研究首次報(bào)道了刺五加果多糖的抗肺癌活性,當(dāng)ASPF作用時(shí)間為48 h時(shí),IC50值為424.39 μg/mL,對(duì)肺癌549細(xì)胞顯示出了較高的抑制作用,明顯高于純化前的抑制效果。
細(xì)胞凋亡是由一系列基因調(diào)控,為了適應(yīng)環(huán)境而主動(dòng)死亡的過(guò)程,與死亡有本質(zhì)性區(qū)別,在胚胎發(fā)育、神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、疾病發(fā)展等方面有著重要作用。細(xì)胞凋亡通常是由各種凋亡基因如Bcl-2家族、Caspase家族、P53等調(diào)控,在凋亡的同時(shí)細(xì)胞形態(tài)發(fā)生較大變化,如細(xì)胞膜破碎、核仁裂解等[23-25]。本研究選擇Caspase-3,8,9酶的活力變化作為研究對(duì)象,結(jié)果顯示這3種Caspase酶活力均有明顯上升,出現(xiàn)了顯著性差異,其中以Caspase-3的活力變化最明顯,Caspase-8的激活能夠活化全部凋亡通路的下游Caspase成員,說(shuō)明ASPF能夠通過(guò)促進(jìn)Caspase-8,9的活化而增強(qiáng)Caspase-3的表達(dá)。同時(shí),采用RT-PCR法檢測(cè)Bcl-2/Bax的mRNA表達(dá)發(fā)現(xiàn),不同濃度的ASPF可以從mRNA水平降低Bcl-2/Bax的表達(dá)值,為ASPF誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡提供了有力的依據(jù)。腫瘤細(xì)胞凋亡除與其自身凋亡通路有關(guān)外,也有多項(xiàng)研究證明中藥多糖可通過(guò)增強(qiáng)機(jī)體自身的免疫調(diào)節(jié)能力。中藥多糖可以通過(guò)促進(jìn)免疫細(xì)胞增殖,增強(qiáng)巨噬細(xì)胞以及NK細(xì)胞和T、B淋巴細(xì)胞的活化來(lái)達(dá)到增強(qiáng)免疫調(diào)節(jié)能力的作用[26],因此,未來(lái)也可以從ASPF的機(jī)體免疫調(diào)節(jié)能力出發(fā)研究其促進(jìn)A549細(xì)胞凋亡機(jī)制。
綜上,本研究對(duì)刺五加果中提取得到的粗多糖ASP進(jìn)行純化,采用活性初篩的方法,對(duì)活性最高的餾分進(jìn)行純化,最終得到了抑制效果最佳的多糖命名為ASPF,并結(jié)合GPC、IR、HPLC等方法分析了ASPF的結(jié)構(gòu)表征。且首次發(fā)現(xiàn)刺五加果多糖對(duì)人肺癌A549細(xì)胞具有較強(qiáng)的體外抑制作用,當(dāng)ASPF作用48 h時(shí),其IC50值為424.39 μg/mL,相比較純化前的664.6 μg/mL,其抑制效果有著顯著性增強(qiáng)。ASPF能夠在mRNA表達(dá)量上降低Bcl-2/Bax的比值而達(dá)到促進(jìn)細(xì)胞凋亡的效果。