范若蘭,陳海蘭,賴 斌,李志利,徐 偉,嚴(yán)國(guó)鴻,3,許少華,樊志敏
(1.福建中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院,福建省中藥資源研究與開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350122;2.南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬南京中醫(yī)院,江蘇 南京 210022;3.福建中醫(yī)藥大學(xué)附屬人民醫(yī)院,福建 福州 350004)
結(jié)直腸癌(colorectal carcinoma,CRC)是一種常見(jiàn)的消化道腫瘤,發(fā)病率在消化道腫瘤中位居第三,也是最常見(jiàn)的惡性腫瘤死亡原因之一[1]。手術(shù)是治療惡性腫瘤的主要手段之一,治療時(shí)在術(shù)前及術(shù)后會(huì)采用輔助化療以及放療手段來(lái)提高治愈效果[2],但治療后副反應(yīng)較多;并且近些年來(lái)化療藥物頻頻出現(xiàn)多重耐藥現(xiàn)象,而大量研究表明,中藥的多種活性成分能夠?qū)鼓[瘤增殖以及多重耐藥,這使得研究者將目標(biāo)轉(zhuǎn)移至中藥提取物及活性單體的開(kāi)發(fā)和利用[3],開(kāi)發(fā)安全高效的抗腫瘤天然藥物成為一大熱點(diǎn)。
雷公藤紅素(celastrol,CEL)是衛(wèi)矛科植物雷公藤(TripterygiamWilfordilHook.f.)的主要活性成分之一,具有抗炎、抗腫瘤、抗肥胖等多種藥理活性[4-5]。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子(STAT3)在多種惡性腫瘤組織和細(xì)胞中均有異?;钚?,腫瘤微環(huán)境中細(xì)胞因子的失調(diào)能夠?qū)е铝姿峄疭TAT3持續(xù)表達(dá)[6],從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)增殖;IL-6通過(guò)其下游轉(zhuǎn)錄激活因子STAT3在炎癥和癌變中發(fā)揮作用,能夠刺激癌細(xì)胞增殖和遷移[7];而且IL-6、STAT3在結(jié)腸癌組織中均有較高的表達(dá),JAK2/STAT3信號(hào)通路的過(guò)度活化與結(jié)腸癌有著密切關(guān)系[8]。此前有研究表明,CEL能夠下調(diào)磷酸化STAT3水平抑制多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞增殖[9],而在最新研究中其通過(guò)靶向STAT3來(lái)抑制AngII誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞重塑[10]。以上研究提示我們,CEL可能主要通過(guò)靶向抑制STAT3發(fā)揮抗結(jié)直腸癌作用。因此,本文重點(diǎn)探討了CEL對(duì)人結(jié)直腸癌HCT-116細(xì)胞中STAT3以及上下游相關(guān)基因的作用,測(cè)定其與人源STAT3重組蛋白的親和力,并在患者來(lái)源的結(jié)直腸腫瘤類器官(colorectal cancer organoid,CCO)模型中做進(jìn)一步抗癌活性驗(yàn)證,為開(kāi)發(fā)潛在的抗癌藥提供依據(jù)。
1.1 試藥雷公藤紅素對(duì)照品(中國(guó)食品藥品檢定研究院,批號(hào):111946-201501)。
1.2 細(xì)胞株人肺癌細(xì)胞(A549),人結(jié)腸癌細(xì)胞(HCT-116),人肝癌細(xì)胞(HepG2)均購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院上海細(xì)胞庫(kù)。
1.3 人體樣本4例結(jié)直腸癌患者組織標(biāo)本均來(lái)自于南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬南京中醫(yī)院肛腸中心未接受治療的成年手術(shù)患者,所有實(shí)驗(yàn)均經(jīng)南京市中醫(yī)院倫理委員會(huì)審查和批準(zhǔn)(KY2021134),所有樣本的病理分析均在南京市中醫(yī)院病理科進(jìn)行。
1.4 主要試劑磷酸鹽緩沖液(PBS,HyClone,AF29496678);0.25%胰蛋白酶(Gibco,2120734);DMEM/高糖培養(yǎng)基(HyClone,AF29498408);RPMI 1640培養(yǎng)基(HyClone,AF29584257);胎牛血清(Gibco,2148200RP);二甲基亞砜(DMSO、Sigma,WXBD2695V);CCK-8(美倫生物技術(shù)有限公司,MA0218-1);BCA蛋白濃度測(cè)定試劑盒(碧云天,P0010);β-actin(Mouse、SANTA);STAT3(Rabbit、CST);p-STAT3(Rabbit、CST);JAK2(Rabbit、abcam);p-JAK2(Rabbit、abcam);Survivin(Rabbit、abcam);MCL-1(Rabbit、abcam);rhSTAT3蛋白(武漢華美生物工程有限公司,DA04741);CM5芯片、HBS-EP緩沖液(10×)、醋酸鈉緩沖液(10 mmol·L-1)、再生試劑盒均購(gòu)自GE Healthcare;Recombinant Human IL-6、R-spondin-1重組蛋白、Noggin重組蛋白和EGF重組蛋白均購(gòu)自近岸蛋白質(zhì)科技有限公司;ECL超敏化學(xué)發(fā)光檢測(cè)試劑盒(UE、HS1023);細(xì)胞周期與細(xì)胞凋亡試劑盒(碧云天,C1052);Annexin V-FITC/PI細(xì)胞凋亡試劑盒(美倫生物,貨號(hào):MA0220-2,批號(hào):Jan-8G);DMEM/F12培養(yǎng)基(Gibco,C113300500BT);4-羥乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)緩沖液(1 mmol·L-1,Gibco,15630080);谷氨酰胺(200 mmol·L-1,Gibco,A2916801);細(xì)胞培養(yǎng)添加劑N2(1×,Gibco,17502-048);細(xì)胞培養(yǎng)添加劑B27(50×,Gibco,12587-010);N-乙酰半胱氨酸(1 mmol·L-1,MCE,HY-B0215);煙酰胺(10 mmol·L-1,MCE,HY-B0150);轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(transforming growth factor β,TGF-β)抑制劑A83-01(MCE,909910-43-6);p38抑制劑SB-202190(MCE,HY-10295);rho相關(guān)卷曲螺旋形成蛋白激酶(rho-associated coiled-coil forming kinase,ROCK)抑制劑Y-27632(MCE,HY-10071);TrypLETM Express 酶(Gibco,12604013);基質(zhì)膠(Corning,356231);青霉素-鏈霉素(10 000 kU·L-1,Gibco,15140163)。
1.5 儀器Biacore T200(GE Healthcare,28975001);凝膠成像分析系統(tǒng)(Bio-Rad,ChemiDocXRS+);多功能酶標(biāo)儀(TECAN,Infinite M200 Pro);倒置生物顯微鏡(motic as2000);數(shù)碼相機(jī)(moticam 2506);流式細(xì)胞儀(Agilent Technologies,NovoCyte 3000)。
2.1 雷公藤紅素溶液的配制精密稱取雷公藤紅素1.0 mg溶解于DMSO中配制成10 mmol·L-1的儲(chǔ)存液,4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
2.2 細(xì)胞培養(yǎng)人肝癌細(xì)胞HepG2培養(yǎng)于含10%滅菌胎牛血清的DMEM高糖培養(yǎng)基,人結(jié)腸癌細(xì)胞HCT-116和人肺癌細(xì)胞A549培養(yǎng)于含10%滅菌胎牛血清的RMPI 1640培養(yǎng)基中,于37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng),隔天更換培養(yǎng)液,當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)至對(duì)數(shù)期時(shí),進(jìn)行細(xì)胞傳代。
2.3 體外抗增殖活性檢測(cè)采用CCK-8法檢測(cè)不同濃度下的(0.02、0.1、0.5、2.5、12.5 μmol·L-1)CEL對(duì)3種腫瘤細(xì)胞(HepG2、HCT-116、A549)的毒性,取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞,消化離心收集細(xì)胞,將細(xì)胞濃度調(diào)至5×107L-1,以100 μL/孔接種于96孔板,于37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱中孵育24 h,加入不同濃度的CEL繼續(xù)培養(yǎng)48 h后,每孔加入10 μL CCK-8溶液,在37 ℃、5% CO2孵育1.5 h,450 nm處測(cè)吸光度(OD)值。細(xì)胞抑制率/%=(A對(duì)照-A給藥)/(A對(duì)照-A空白)×100%。
2.4 Western blot檢測(cè)p-JAK2、p-STAT3、Survivin、MCL-1蛋白表達(dá)取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的HCT-116細(xì)胞,將細(xì)胞密度調(diào)至1×109L-1后接種于6孔板,當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)匯合達(dá)90%時(shí),分別加入不同濃度的CEL,給藥6 h后IL-6(25 μg·L-1)刺激30 min;提取細(xì)胞總蛋白,利用12% SDS-PAGE凝膠系統(tǒng)分離蛋白,將凝膠上的蛋白轉(zhuǎn)移至PVDF膜上,5%脫脂牛奶溶液室溫封閉2 h,一抗稀釋液中4 ℃孵育過(guò)夜,TBST洗滌3次,每次10 min;然后轉(zhuǎn)移至二抗稀釋液中室溫孵育2 h,均勻滴加ECL化學(xué)發(fā)光顯影液,在凝膠成像系統(tǒng)上進(jìn)行檢測(cè)。
2.5.1細(xì)胞凋亡 將對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的HCT-116細(xì)胞接種于6孔板,在37 ℃,5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h,吸去上清,更換為含不同濃度的CEL培養(yǎng)48 h后,離心收集細(xì)胞沉淀,用預(yù)冷的PBS洗滌細(xì)胞2次,棄上清,加入1× Binding Buffer工作液重懸細(xì)胞,使細(xì)胞濃度達(dá)到1×109L-1,吸取100 μL細(xì)胞懸液分裝至新管中,分別加入碘化丙啶染色液(PI)和Annexin V-FITC進(jìn)行染色,室溫避光孵育15 min,加入1×Binding Buffer工作液,混勻后利用流式細(xì)胞儀在488 nm下進(jìn)行檢測(cè),利用NovoExpress軟件分析,繪制雙色散點(diǎn)圖。
2.5.2細(xì)胞周期 培養(yǎng)及給藥方式同“2.5.1”,離心收集細(xì)胞沉淀后用預(yù)冷的PBS洗滌細(xì)胞,棄上清,加入預(yù)冷的70%乙醇吹打混勻,于4 ℃固定12 h后,1 000 r·min-1離心3 min,加入PI,37 ℃避光孵育30 min,利用流式細(xì)胞儀在488 nm處測(cè)量熒光強(qiáng)度,利用NovoExpress軟件分析結(jié)果。
2.6.1預(yù)富集試驗(yàn) 將500 mg·L-1的rhSTAT3蛋白與不同pH的醋酸鈉緩沖液(10 mmol·L-1,4.5、5.0、5.5)混勻配置成rhSTAT3蛋白終濃度為10 mg·L-1,分別放置于無(wú)蓋的EP管中,取無(wú)蓋的EP管加入50 mmol·L-1的NaOH,用于芯片再生;將不同pH(4.5、5.0、5.5)醋酸鈉緩沖液配置的蛋白溶液進(jìn)樣到CM5傳感芯片上,觀察其與芯片的結(jié)合曲線,根據(jù)響應(yīng)值RU,選擇最適的偶聯(lián)條件。
理論偶聯(lián)量計(jì)算公式:RMAX=(MW analyte/MW ligand)×RL×Sm,式中MW ligand指蛋白將STAT3的分子量為90.1 ku,MW analyte為分析物的分子量為450,Sm為化學(xué)計(jì)量比為1。
2.6.2配體偶聯(lián)實(shí)驗(yàn) 根據(jù)預(yù)富集試驗(yàn)選擇最佳pH條件為5.5,取4 μL STAT3蛋白與196 μL醋酸鈉緩沖液混合于無(wú)蓋EP管中,另取100 μL NHS(N-羥基丁二酰亞)、140 μL乙醇胺于無(wú)蓋EP管中,對(duì)CM5傳感芯片表面未被蛋白結(jié)合的區(qū)域進(jìn)行封閉,平衡至室溫25 ℃左右,將無(wú)蓋EP管放在樣品架上,設(shè)定流速為10 μL·min-1,時(shí)間為420 s,計(jì)算得到STAT3蛋白與芯片的結(jié)合值為14 937 RU。
2.6.3解離平衡常數(shù)的測(cè)定 將配制好的雷公藤紅素母液分別用含有5% DMSO的PBS稀釋成250、125、62.5、31.2、15.63、7.81、3.91、0 μmol·L-1,依次進(jìn)樣,結(jié)合時(shí)間為80 s,流速為30 μL·min-1,解離時(shí)間為180 s;結(jié)果通過(guò)計(jì)算機(jī)擬合并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析得到其親和力常數(shù)KD值。
2.8.1類器官培養(yǎng) 從冷凍保存的類器官庫(kù)中獲得CCOs,并將CCOs重懸于基質(zhì)膠與完全培養(yǎng)基(約2 ∶1)中,接種于48孔板中,在完全培養(yǎng)基中培養(yǎng)。完全培養(yǎng)基為DMEM/F12添加R-spondin-1重組蛋白(500 μg·L-1)、Noggin 重組蛋白(100 μg·L-1)、EGF(50 μg·L-1)、HEPES緩沖液、谷氨酰胺添加劑、N2添加劑(1×)、N-乙酰半胱氨酸(1 mmol·L-1)、煙酰胺(10 mmol·L-1)、A83-01(500 nmol·L-1)、Y-27632(10 μmol·L-1)、SB202190(3 μmol·L-1)、B27添加劑(1×);48 h更換1次培養(yǎng)基,10~14 d傳代1次。
2.8.2類器官活力測(cè)定 將CCOs接種于96孔板,當(dāng)類器官生長(zhǎng)匯合度達(dá)50%時(shí),分別給予不同濃度的L-OHP(0.64、3.2、16、80、400 μmol·L-1)和CEL(0.0562、0.2808、1.404、7.02、35.1 μmol·L-1),DMSO作為空白對(duì)照組,給藥6 d后,CCK-8法檢測(cè)細(xì)胞活力,并拍照記錄給藥后類器官形態(tài)特征變化。
3.1 CEL對(duì)3種腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出抑制作用CEL給藥48 h后,CCK-8法檢測(cè),利用Graphpad Prism8軟件計(jì)算CEL對(duì)3種腫瘤細(xì)胞半數(shù)抑制濃度為(A549:IC50=2.37±0.02 μmol L-1、HCT-116:IC50=1.40±0.21 μmol L-1、HepG2:IC50=2.52±0.02 μmol L-1),見(jiàn)Fig 1。結(jié)果表明,CEL對(duì)3種腫瘤細(xì)胞系(A549、HCT-116、HepG2)均具有抑制作用,并呈現(xiàn)濃度依賴性,其中對(duì)HCT-116的抑制活性相對(duì)最好。
3.2 CEL 抑制HCT-116細(xì)胞的STAT3磷酸化及其下游蛋白(Survivin、MCL-1)而對(duì)其上游蛋白(JAK2、p-JAK2)無(wú)影響Western blot的結(jié)果顯示,與DMSO組相比,IL-6誘導(dǎo)后p-STAT3(A)、p-JAK2(B)、MCL-1(C)、Survivin(C)的表達(dá)明顯增加,經(jīng)過(guò)CEL處理后p-JAK2無(wú)明顯影響(P>0.05),其余蛋白表達(dá)水平均出現(xiàn)下降趨勢(shì),且隨著給藥濃度的增加而降低,差異均具有顯著性(P<0.05),見(jiàn)Fig 2。以上結(jié)果表明,CEL可能是靶向抑制STAT3的磷酸化,而不影響其上游蛋白的活性。
3.3.1細(xì)胞凋亡 我們使用Annexin-V-FITC/PI雙重染色法進(jìn)行細(xì)胞分析,從Fig A1-A4看出與對(duì)照組相比隨著CEL濃度的增加,早期凋亡百分比率增加(1.78%~30.84%),從Fig A5可知,早期凋亡的比率隨著CEL濃度的增加而增加,在CEL高濃度時(shí)晚期凋亡的比率明顯增大(P<0.01),結(jié)果均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;說(shuō)明各組與DMSO組間均有差異。以上結(jié)果表明,CEL能夠誘導(dǎo)結(jié)腸癌細(xì)胞凋亡,見(jiàn)Fig 3。
3.3.2細(xì)胞周期 稀釋不同濃度的CEL干擾HCT-116細(xì)胞48 h,從Fig B1-B4可以看出于對(duì)照組相比,CEL組S期的細(xì)胞數(shù)目增加,G0/G1期細(xì)胞數(shù)目減少,表明CEL能阻滯細(xì)胞周期,見(jiàn)Fig 3。
Fig 1 Growth inhibition curve of CEL on A549,
Fig 2 CEL inhibited p-STAT3 and its downstream genes (Survivin and MCL-1) but not upstream gene JAk2 in HCT-116 n=3)
Fig 3 Apoptosis and cell cycle analysis of CEL on HCT-116 n=3)
3.5 分子對(duì)接CEL可以與rhSTAT3蛋白結(jié)合并抑制pTyr705位點(diǎn)的STAT3磷酸化,為了進(jìn)一步推測(cè)CEL的結(jié)合位點(diǎn),采用了分子對(duì)接,如Fig 5所示,在CEL與STAT3蛋白的殘基LYS-591、ARG-609、GLU-612、SER-613、ILE-634、ARG-595之間形成了多個(gè)強(qiáng)氫鍵。同時(shí),CEL可以與殘基TRP-564、ILE-589、PRO-639、VAL-637、SER-636、GLN-635、GLN-633、LYS-591產(chǎn)生疏水相互作用,表明CEL能夠緊密地與SH2結(jié)構(gòu)域結(jié)合,從而抑制STAT3的磷酸化,分子對(duì)接進(jìn)一步佐證了SPR結(jié)果,見(jiàn)Fig 5,以及本課題組同期發(fā)表文章[12]。
3.6 CEL可以抑制結(jié)直腸腫瘤類器官的生長(zhǎng)為了進(jìn)一步驗(yàn)證CEL對(duì)結(jié)直腸癌的抑制作用,建立了4例患者來(lái)源的CCOs(CCO-1、CCO-2、CCO-3、CCO-4)及1例CNO,利用CCK-8法檢測(cè)CEL對(duì)CCOs的抑制作用,繪制IC50曲線,結(jié)果顯示CEL的抑制作用強(qiáng)于陽(yáng)性藥奧沙利鉑(L-OHP),見(jiàn)Fig 6。
腫瘤的發(fā)生與發(fā)展是極其復(fù)雜的過(guò)程,IL-6受體介導(dǎo)的JAK2/STAT3信號(hào)通路主要是調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖及分化,STAT3作為致癌基因能夠在腫瘤細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)[6],尋找STAT3小分子抑制劑成為開(kāi)發(fā)抗腫瘤候選藥物的潛在途徑[13]。本文通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CEL對(duì)3種腫瘤細(xì)胞均具有抑制作用,其中對(duì)HCT-116細(xì)胞活性最好。在最新文獻(xiàn)中,CEL通過(guò)靶向STAT3抑制AngII誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞重塑[10],為了驗(yàn)證其作為STAT3抑制劑發(fā)揮抗腫瘤作用的推測(cè),我們進(jìn)一步探討了CEL抗結(jié)直腸癌細(xì)胞的作用機(jī)制。首先,蛋白免疫印跡的結(jié)果說(shuō)明,CEL不僅能夠呈濃度依賴性下調(diào)STAT3的磷酸化,并且使其下游效應(yīng)蛋白(Survivin,MCL-1)的表達(dá)量顯著降低;但是不影響其上游蛋白JAK2的表達(dá)與磷酸化;其次,通過(guò)Annexin-V-FITC/PI雙重染色法結(jié)合流式細(xì)胞儀檢測(cè)凋亡與周期,發(fā)現(xiàn)CEL能夠增加細(xì)胞凋亡率,阻滯細(xì)胞合成期的發(fā)生。Survivin屬于細(xì)胞凋亡抑制劑(IAP)的蛋白質(zhì)家族成員,MCL-1是BCL-2蛋白家族的重要成員之一[14-15],因此,以上結(jié)果說(shuō)明,CEL有可能是通過(guò)靶向抑制STAT3,下調(diào)Survivin、MCL-1等下游通路來(lái)誘導(dǎo)HCT-116細(xì)胞的凋亡從而抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)與增殖。然后,我們通過(guò)SPR技術(shù)進(jìn)一步證實(shí)了CEL對(duì)STAT3蛋白的結(jié)合能力,分子對(duì)接推測(cè)CEL是通過(guò)與SH2結(jié)構(gòu)域緊密結(jié)合來(lái)抑制STAT3的磷酸化。最后,我們利用結(jié)直腸腫瘤類器官模型驗(yàn)證了CEL的抗腫瘤作用。類器官模型是從病人體內(nèi)獲取癌細(xì)胞后進(jìn)行培養(yǎng)成的三維“微器官”,比二維細(xì)胞系更接近人類腫瘤,能夠復(fù)制一些癌癥特征,是細(xì)胞模型和動(dòng)物模型所不能夠表現(xiàn)的,具有更好的真實(shí)性,類器官還具有構(gòu)建周期短,能夠保存供體異質(zhì)性等優(yōu)點(diǎn)[16-17]。
Fig 4 The binding kinetic curve of CEL and STAT3 protein
Fig 5 Molecular docking and binding analysis of CEL on STAT3 SH2 domain
綜上,CEL具有明顯的抗結(jié)直腸癌活性,其機(jī)制可能是通過(guò)靶向抑制STAT3發(fā)揮作用。然而,CEL因其水溶性差,治療窗窄、生物利用度低限制了其在治療癌癥的應(yīng)用,而且在本研究中CEL對(duì)正常結(jié)腸癌類器官也表現(xiàn)出一定的毒性,臨床轉(zhuǎn)化有一定的難度,因此本課題組針對(duì)CEL開(kāi)展了一系列結(jié)構(gòu)修飾研究[12],并篩選得到活性更強(qiáng)的酰胺化衍生物。另外Wagh等[18]總結(jié)到基于納米技術(shù)制劑傳遞藥物可能提高CEL整體藥理功效和安全性。在未來(lái),各種策略的結(jié)合和利用,有望基于雷公藤紅素開(kāi)發(fā)出新的候選抗癌藥物。