蘇 楠,范霞霞,謝嬌嬌,李亞飛,馬永成
(1.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院,河南 鄭州 450011;2.鄭州大學(xué)華中阜外醫(yī)院藥學(xué)部臨床藥理實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 451464)
消化道腫瘤發(fā)生率及死亡率較高,嚴(yán)重威脅人類健康,目前治療上仍然以手術(shù)及化療為主[1]。5-氟尿嘧啶(5-fluorouracil,5-FU)是消化道腫瘤最主要的化療藥物之一,其主要通過(guò)抑制胸腺嘧啶合成酶活性,干擾DNA的合成和修復(fù),抑制細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖。然而,5-FU耐藥發(fā)生率較高,單藥有效率不足20%,所以尋找合適的手段增加其化療敏感性與預(yù)防其化療耐藥具有重要意義[2]。楊梅素(myricetin,MYR)又稱楊梅樹(shù)皮素、楊梅黃酮,是一種多羥基黃酮類物質(zhì),最早由楊梅樹(shù)皮和樹(shù)葉中提取得到,其具有抗微生物、抗神經(jīng)退化、抗高血壓、抗過(guò)敏、抗炎、鎮(zhèn)痛、降血糖和保肝等多種藥理活性。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),MYR也具有較好的抗腫瘤作用,其可通過(guò)阻滯細(xì)胞周期、誘導(dǎo)線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡、抑制腫瘤血管生成等機(jī)制,抑制肝癌、胃癌、結(jié)腸癌和乳腺癌等多種癌細(xì)胞增殖[3]。此外,MYR也可通過(guò)下調(diào)多藥耐藥基因1的表達(dá)增強(qiáng)紫杉醇抗卵巢癌細(xì)胞的作用[4],但MYR是否可增強(qiáng)5-FU的抗腫瘤作用尚需進(jìn)一步研究。
有氧糖酵解(Warburg效應(yīng))被認(rèn)為是腫瘤代謝的特征,為腫瘤藥物研發(fā)提供了較多的靶點(diǎn),為腫瘤治療帶來(lái)了新希望。然而,現(xiàn)代腫瘤研究表明,糖酵解并不是腫瘤細(xì)胞獲取能量的唯一方式,一些腫瘤細(xì)胞可根據(jù)外在環(huán)境,在糖酵解和氧化磷酸化2種代謝模式中靈活切換,從而維持能量供應(yīng),保證自身的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。因此,雙重抑制糖酵解及氧化磷酸化已成為抗腫瘤藥物研發(fā)的新策略[5]。本文旨在研究MYR對(duì)5-FU的增敏作用,并圍繞腫瘤代謝探索其潛在機(jī)制,為MYR應(yīng)用于腫瘤防治提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
MYR,純度≥98%,北京索萊寶科技有限公司,溶解于二甲亞砜(DMSO),-20℃分裝保存;5-FU(0.25 g/10 mL注射液),上海旭東海普藥業(yè)有限公司;糖酵解及線粒體壓力檢測(cè)試劑盒,美國(guó)Seahorse Bioscience公司;熒光染料JC-1,江蘇碧云天生物技術(shù)研究所;FITC-AnnexinⅤ/PI凋亡檢測(cè)試劑盒,江蘇凱基生物技術(shù)有限公司;熒光標(biāo)記葡萄糖類似物2-NBDG,美國(guó)Invitrogen公司;MTT,美國(guó)Sigma公司。熒光顯微鏡,日本Nikon公司;酶標(biāo)儀,美國(guó)Perkinelmer公司;流式細(xì)胞儀,美國(guó)BD公司;細(xì)胞能量分析儀(Seahorse XFp),美國(guó)Sea?horse Bioscience公司。
人食管癌細(xì)胞EC109,中國(guó)科學(xué)院典型培養(yǎng)物保藏委員會(huì)細(xì)胞庫(kù),由本實(shí)驗(yàn)室傳代培養(yǎng),液氮保存。使用含有10%胎牛血清、100 g·L-1鏈霉素和1×108U·L-1青霉素的RPMI 1640培養(yǎng)液,將EC109細(xì)胞于37℃,5%CO2條件下培養(yǎng)。
①將EC109細(xì)胞以密度6×107L-1接種于96孔培養(yǎng)板中,每孔100 μL,培養(yǎng)至貼壁,加入MYR 4.68,9.38,18.75,37.50,75.00,150.00和300.00 μmol·L-1分別作用24,48和72 h后,加入20 μL MTT溶液(終濃度為0.5 g·L-1),培養(yǎng)箱內(nèi)孵育4 h,移除培養(yǎng)基,每孔加入200 μL DMSO,室溫振蕩15 min,使得結(jié)晶物充分溶解。使用酶標(biāo)儀于490 nm處測(cè)定各孔吸光度(A490nm),利用GraphPad 6.0計(jì)算細(xì)胞存活抑制率,確定后續(xù)聯(lián)合用藥時(shí)MYR濃度。細(xì)胞存活抑制率(%)=(細(xì)胞對(duì)照組A490nm-藥物組A490nm)/細(xì)胞對(duì)照組A490nm×100%。②細(xì)胞培養(yǎng)同①,加入5-FU 0.8,1.5,3.0,6.0,12.0,24.0和48.0 μmol·L-1、5-FU(0.8~48.0 μmol·L-1)+MYR 75 μmol·L-1,分別作用24,48和72 h,其余同處理①。確定藥物聯(lián)用時(shí)間。
根據(jù)MTT法實(shí)驗(yàn)結(jié)果,細(xì)胞分為細(xì)胞對(duì)照、MYR 75 μmol· L-1、5-FU 12 μmol· L-1及 MYR+5-FU組,藥物作用48 h后,按照FITC-AnnexinⅤ/PI試劑盒說(shuō)明書(shū)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行熒光染色處理,利用流式細(xì)胞儀分析細(xì)胞凋亡。
將EC109細(xì)胞以密度3×107L-1接種于6孔板,每孔3 mL,培養(yǎng)至貼壁,細(xì)胞分組同1.4。棄原培養(yǎng)基,每孔加入1 mL JC-1染色工作液(0.01 g·L-1),置培養(yǎng)箱中孵育30 min后,使用無(wú)血清培養(yǎng)基沖洗3遍,利用熒光顯微鏡觀察并采集圖像,同時(shí)通過(guò)流式細(xì)胞術(shù)定量分析線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential,MMP)變化。在 MMP 較高時(shí),JC-1可形成聚合物,在488 nm激光激發(fā)下可呈現(xiàn)紅色熒光;而在MMP較低時(shí),JC-1以單體形式存在,在488 nm激光激發(fā)下則呈現(xiàn)綠色熒光。通過(guò)熒光顯微鏡觀察各組熒光顏色的轉(zhuǎn)變來(lái)分析MMP的變化;流式細(xì)胞術(shù)分析MMP時(shí),低MMP的細(xì)胞則聚集在流式細(xì)胞圖的右下方,以低MMP細(xì)胞所占整體細(xì)胞的百分比表示。
將EC109細(xì)胞以密度3×107L-1接種于6孔板,每孔3 mL,使用含10%FBS的常規(guī)培養(yǎng)基培養(yǎng),待細(xì)胞貼壁后,移除常規(guī)培養(yǎng)基,PBS漂洗2次。細(xì)胞分組同1.4,加入MYR 75 μmol·L-1、5-FU 12 μmol·L-1或MYR 75 μmol·L-1+5-FU 12 μmol·L-1(均使用含0.5%FBS的RPMI 1640培養(yǎng)基配制)作用EC109細(xì)胞6 h(保證細(xì)胞存活率>80%),小心移除上述培養(yǎng)基,加入適當(dāng)體積熒光標(biāo)記的2-脫氧葡萄糖類似物2-NBDG(使用含0.5%FBS的培養(yǎng)基稀釋,終濃度 100 μmol·L-1),孵育 30 min。胰酶消化,離心收集細(xì)胞,使用預(yù)冷的PBS洗滌細(xì)胞2次,去除未被細(xì)胞攝取的2-NBDG,使用適量預(yù)冷PBS懸浮細(xì)胞,并置于冰上待測(cè),用流式細(xì)胞儀檢測(cè)細(xì)胞葡萄糖攝取率。2-NBDG在488 nm激光下可發(fā)射綠色熒光,當(dāng)它被細(xì)胞快速攝入胞內(nèi),通過(guò)流式細(xì)胞儀檢測(cè)各組細(xì)胞的熒光值,以用藥組與細(xì)胞對(duì)照組熒光值的比值表示葡萄糖攝取率。
將EC109細(xì)胞以密度6.5×107L-1接種于線粒體壓力/糖酵解檢測(cè)專用培養(yǎng)板,每孔100 μL,細(xì)胞分組為細(xì)胞對(duì)照組、MYR 75,100 和 200 μmol·L-1組、5-FU 12 μmol·L-1組及 MYR 75 μmol·L-1+5-FU 12 μmol·L-1組。待培養(yǎng)細(xì)胞至貼壁后,按照細(xì)胞能量分析儀專用試劑說(shuō)明書(shū)去除原培養(yǎng)基,更換為細(xì)胞能量分析專用培養(yǎng)液,利用細(xì)胞能量分析儀每隔5 min實(shí)時(shí)檢測(cè)OCR和ECAR值,檢測(cè)總時(shí)長(zhǎng)為150 min。以加藥前數(shù)值的平均值為基準(zhǔn)均值,用加藥后各時(shí)間點(diǎn)數(shù)值與基準(zhǔn)均值的比值表示ECAR和OCR。
2.1.1 MYR和5-FU單用
如圖1A所示,與細(xì)胞對(duì)照組相比,MYR在75~300 μmol·L-1濃度范圍內(nèi) EC109 細(xì)胞存活抑制率顯著升高(P<0.01)。MYR作用細(xì)胞48和72 h時(shí)濃度≥75 μmol·L-1可顯著升高細(xì)胞存活抑制率,后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇MYR 濃度為75 μmol·L-1。圖1B結(jié)果顯示,與細(xì)胞對(duì)照組相比,5-FU在3~48 μmol·L-1濃度范圍內(nèi)作用于細(xì)胞48和72 h,亦可顯著升高EC109細(xì)胞存活抑制率(P<0.05,P<0.01)。
2.1.2 MYR與5-FU聯(lián)用
圖1B結(jié)果顯示,MYR 75 μmol·L-1可顯著增強(qiáng)5-FU對(duì)EC109細(xì)胞存活的抑制作用(P<0.05,P<0.01)。其中,5-FU12μmol·L-1以及5-FU12μmol·L-1+MYR 75 μmol·L-1作用 48 h,細(xì)胞存活抑制率分別為(36±4)%和(55±3)%,二組差異顯著(P<0.01)。但在作用 24 h,MYR 75 μmol·L-1對(duì) 5-FU 3~48 μmol·L-1的抗腫瘤作用無(wú)促進(jìn)作用,故后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用48 h為藥物作用時(shí)間。
Fig.1 Effect of myricetin(MYR)and 5-fluorouracil(5-FU)alone or their combination on inhibition of EC109 cells by MTT assay.Cells were treated with MYR 4.68-300.00 μmol·L-1(A)for 24,48 and 72 h,respectively.B:cells were treated with 5-FU 0.8-48.0 μmol· L-1or 5-FU (0.8-48.0 μmol· L-1)+MYR 75 μmol·L-1for 24,48 and 72 h,respectively.±s,n=3.*P<0.05,**P<0.01,compared with cell control group;#P<0.05,##P<0.01,compared with 5-FU group at the response concentration and time point.
與細(xì)胞對(duì)照組相比,MYR 75 μmol·L-1組和 5-FU 12 μmol·L-1組細(xì)胞凋亡率顯著升高(P<0.05);與單獨(dú)用藥組相比,聯(lián)用組細(xì)胞凋亡率顯著升高(P<0.01)(圖2)。
Fig.2 Effect of MYR and 5-FU alone or their combina?tion on apoptosis of EC109 cells by flow cytometry.The cells were treated with MYR 75 μmol·L-1,5-FU 12 μmol·L-1 or 5-FU 12 μmol·L-1+MYR 75 μmol·L-1for 48 h.B was the quanti?tative result of A.±s,n=3.*P<0.05,compared with cell control group;##P<0.01,compared with 5-FU group;△△P<0.01,compared with MYR group.
熒光顯微鏡定性分析表明,細(xì)胞對(duì)照組細(xì)胞顯示出較強(qiáng)的橙紅色熒光,5-FU 12 μmol·L-1及 MYR 75 μmol·L-1作用細(xì)胞 48 h 后,橙紅色熒光相對(duì)減弱,提示MMP有所下降;在相同處理?xiàng)l件下,聯(lián)用組相較 5-FU 12 μmol·L-1或 MYR 75 μmol·L-1單用組橙紅色熒光微弱,綠色熒光強(qiáng)烈,表明MMP降低(圖3A)。流式細(xì)胞術(shù)定量分析發(fā)現(xiàn),在相同處理?xiàng)l件下,MYR 75 μmol·L-1單用組、5-FU 12 μmol·L-1單用組及聯(lián)用組均可降低MMP(圖3B),低MMP細(xì)胞比例分別為(24.0±6.2)%、(9.2±3.1)%和(54.6±2.8)%,與細(xì)胞對(duì)照組(4.8±2.2)%相比,MMP下降顯著(P<0.05),聯(lián)用組與 MYR 75 μmol·L-1或5-FU 12 μmol·L-1單用組之間差異亦顯著(P<0.01,圖3C)。表明MYR可使MMP下降,同時(shí)可加劇5-FU降低MMP的作用,推測(cè)MYR抑制線粒體氧化磷酸化可能與其誘導(dǎo)MMP降低有關(guān)。
Fig.3 Effect of MYR and 5-FU in combination on mito?chondrial membrane potential(MMP)of EC109 cells detected by fluorescence microscopy(A,×200)and flow cytometry(B).See Fig.2 for the cell treatment.C was the quantitative result of B.FL1:JC-1 green fluorescence;FL2:JC-1 red fluorescence.±s,n=3.*P<0.05,compared with cell control group;##P<0.01,compared with 5-FU group;△△P<0.01,compared with MYR group.
如圖4A所示,MYR 75 μmol·L-1組熒光曲線相較細(xì)胞對(duì)照組明顯左移,表明 MYR 75 μmol·L-1可抑制EC109葡萄糖攝取,而5-FU 12 μmol·L-1組效果不明顯,二藥聯(lián)用后這種效果顯著增強(qiáng)。與細(xì)胞對(duì)照組相比,MYR 75 μmol·L-1組、5-FU 12 μmol·L-1組和二藥聯(lián)用組EC109細(xì)胞的葡萄糖攝取能力分別下降(24±5)%,(4±4)%和(39±5)%,MYR 75 μmol·L-1組和二藥聯(lián)用組顯著降低(P<0.01),同時(shí)聯(lián)用組顯著低于MYR 75 μmol·L-1組(圖4B,P<0.01)。提示MYR可限制腫瘤細(xì)胞葡萄糖攝取,與5-FU聯(lián)用抑制作用進(jìn)一步增強(qiáng);MYR糖酵解抑制作用可能與其阻止葡萄糖攝取有關(guān)。
Fig.4 Effect of MYR and 5-Fu in combination on glucose uptake in EC109 cells by flow cytometry.See Fig.2 for the cell treatment.Glucose uptake(%)=Mean fluorescence intensity(MFI)of drug-treated group/MFI of cell control group×100%.B was the quantitative result of A.FL1:2-NBDG green fluorescence.±s,n=3.**P<0.01,compared with cell control group;##P<0.01,compared with 5-FU group;△△P<0.01,compared with MYR group.
如圖5A所示,MYR 75,100和200 μmol·L-1組OCR和ECAR均表現(xiàn)為降低趨勢(shì)。圖5B結(jié)果顯示,5-FU 12 μmol·L-1組 OCR 明顯降低(圖5B1),但ECAR明顯增加(圖5B2);與相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的 5-FU 12 μmol·L-1組相比,MYR 75 μmol·L-1+5-FU 12 μmol·L-1組OCR和ECAR均顯著降低(P<0.05),表明5-FU可抑制腫瘤細(xì)胞的氧化磷酸化,但促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的糖酵解,MYR則可雙重抑制糖酵解及線粒體氧化磷酸化,從而增強(qiáng)了5-FU的抗腫瘤作用。
Fig.5 Effect of MYR alone(A)or combined with 5-FU(B)on extracellular acidification rate(ECAR)and oxygen consumption rate(OCR)in EC109 cells.The average value before dosing was taken as the mean baseline value,and the ratio of values at each time point after dosing to the baseline mean value was used to represent the change of ECAR and OCR.Changes in OCR and ECAR were monitored every five min for 150 min by a Seahorse XFp extracellular flux analyzer in real time.±s,n=3.*P<0.05,compared with corresponding 5-FU 12 μmol·L-1group.
本研究結(jié)果顯示,MYR對(duì)食管癌細(xì)胞具有明確的增殖抑制作用,同時(shí)可以促進(jìn)5-FU的抗腫瘤作用,與前人報(bào)道一致[6]。但不同的是,本研究發(fā)現(xiàn),MYR可以雙重抑制食管癌細(xì)胞的糖酵解和氧化磷酸化,這可能是MYR促進(jìn)5-FU抗腫瘤作用的新機(jī)制。
腫瘤是一種代謝性疾病,異常的代謝不僅為腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)提供必要的物質(zhì)和能量,還可以調(diào)控其惡性生物學(xué)行為,“能量代謝異?!币呀?jīng)被公認(rèn)為腫瘤細(xì)胞的一個(gè)特征性標(biāo)志物[5]。腫瘤細(xì)胞傾向于有氧糖酵解是最早被闡釋的腫瘤細(xì)胞有別于正常細(xì)胞的代謝特征,圍繞這一特征,研究者們已獲得了多個(gè)新型有效抗腫瘤藥物。葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體(glucose transporters,GLUT)在腫瘤細(xì)胞中高表達(dá),有效阻止其表達(dá)可以從源頭阻斷原料供應(yīng),從而成為了研發(fā)糖酵解抑制劑的切入點(diǎn)[7-8]。本研究結(jié)果表明,MYR可以明顯降低EC109細(xì)胞糖酵解水平,同時(shí)發(fā)現(xiàn)其可抑制EC109細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取,當(dāng)與5-FU聯(lián)用時(shí),這種抑制作用進(jìn)一步增強(qiáng)。MYR作為糖酵解抑制劑值得進(jìn)一步研究,目前本課題組正在研究MYR對(duì)GLUT表達(dá)的影響;此外,MYR對(duì)糖酵解過(guò)程中關(guān)鍵酶的蛋白表達(dá)及活性的影響也值得研究者們進(jìn)一步探索,如限速酶己糖激酶2(hexokinase2,HK2)和乳酸脫氫酶A等。
現(xiàn)代腫瘤研究表明,雖然有氧糖酵解是腫瘤細(xì)胞的主要代謝方式,但是線粒體氧化磷酸化(oxida?tive phosphorylation,OXPHOS)對(duì)腫瘤能量代謝仍發(fā)揮重要作用,在某些腫瘤的生長(zhǎng)過(guò)程中,OXPHOS甚至發(fā)揮著關(guān)鍵作用[9],例如Suganuma等[10]使用糖酵解抑制劑2-DG和OXPHOS抑制劑寡霉素分別研究了多種白血病細(xì)胞株,結(jié)果發(fā)現(xiàn)NB4細(xì)胞對(duì)2-DG敏感,而THP-1細(xì)胞表現(xiàn)為2-DG抵抗,但對(duì)寡霉素卻極其敏感,因此,NB4細(xì)胞被認(rèn)為是糖酵解依賴的白血病細(xì)胞,而THP-1細(xì)胞則被認(rèn)為是OXPHOS依賴的白血病細(xì)胞。此外,腫瘤細(xì)胞會(huì)因環(huán)境的壓力和生長(zhǎng)狀態(tài)的改變不斷發(fā)生代謝重編程,在糖酵解和OXPHOS 2種代謝模式中靈活切換,以保持生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)[9]。因此,雙重抑制糖酵解和線粒體OXPHOS有望發(fā)現(xiàn)更具開(kāi)發(fā)潛力的新型抗腫瘤藥物。本研究則發(fā)現(xiàn),MYR在抑制EC109細(xì)胞糖酵解的同時(shí),也明顯降低OCR值,說(shuō)明其對(duì)線粒體OXPHOS功能也存在調(diào)控作用。此外,本研究結(jié)果也表明,MYR有效誘導(dǎo)了EC109細(xì)胞MMP的降低,與5-FU聯(lián)用后,MMP下降更為顯著。因此,可推測(cè)MYR抑制線粒體OXPHOS可能與其誘導(dǎo)MMP下降有關(guān)。當(dāng)然,MYR抑制線粒體OXPHOS的分子機(jī)制有待進(jìn)一步研究。
此外,MYR屬于多酚羥基黃酮,其可通過(guò)提供氫質(zhì)子使得極活潑的自由基轉(zhuǎn)變?yōu)榉腔钚曰蜉^為穩(wěn)定的化合物,或者通過(guò)提高抗氧化酶活性抑制活性氧(reactive oxygen species,ROS)的積累,因而MYR具有較強(qiáng)的抗氧化能力[11]。但也有研究表明,黃酮類化合物兼具抗氧化和促氧化二重活性,在不同條件下互為轉(zhuǎn)換。例如,隨作用時(shí)間延長(zhǎng)、作用濃度的增加、或者有Cu2+的存在等,黃酮類化合物則由抗氧化活性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇傺趸钚裕?1]。5-FU可通過(guò)激活細(xì)胞內(nèi)源性Cu2+,亦可通過(guò)抑制超氧化物歧化酶活性,引起ROS過(guò)量產(chǎn)生,超出細(xì)胞清除能力,然后通過(guò)氧化應(yīng)激反應(yīng)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[12]。本研究發(fā)現(xiàn),MYR 75 μmol·L-1作用不超過(guò) 24 h情況下,并不能促進(jìn)5-FU的抗腫瘤作用,而是限制了5-FU的細(xì)胞毒性,促進(jìn)細(xì)胞存活。該結(jié)果印證了MYR的抗氧化能力,與Kan等[13]的研究一致。由于作用時(shí)間較短,MYR此時(shí)發(fā)揮了其抗氧化作用,從而抑制了5-FU的氧化效應(yīng)。另一方面,黃酮作為抗氧化劑會(huì)隨著時(shí)間不斷被氧化為苯氧基自由基、半醌式和醌式結(jié)構(gòu),而這些結(jié)構(gòu)本身具有促氧化活性,同時(shí)在Cu2+存在的條件下,這種氧化活性進(jìn)一步加強(qiáng)[11]。所以在48和72 h,MYR則展示了其促氧化性質(zhì),從而增強(qiáng)了5-FU的抗腫瘤作用。
總之,本研究結(jié)果表明,MYR對(duì)腫瘤細(xì)胞增殖有明確的抑制作用,同時(shí)在適當(dāng)?shù)臈l件下可促進(jìn)5-FU的抗腫瘤效果。MYR可以有效抑制腫瘤細(xì)胞糖酵解水平和線粒體氧化磷酸化功能,其對(duì)腫瘤細(xì)胞代謝的調(diào)控活性可能與誘導(dǎo)線粒體膜電位下降以及限制葡萄糖攝取有關(guān)。