摘 要:目的 研究芹菜素(Api)和丹參酮ⅡA(Tan ⅡA)聯用對多種腫瘤細胞的協同抗腫瘤作用,並揭示其發生協同作用的機制。方法 以人胃癌BGC823細胞、人乳腺癌MCF7細胞、人肝癌SMMC7721細胞為研究對象,採用MTT法檢測Api和TanⅡA聯用對細胞的增殖抑制作用;採用AV-PI雙染法、PI染色法檢測藥物對BGC823細胞凋亡、細胞周期的影響;免疫印跡法檢測BGC823細胞凋亡相關蛋白p53、BAX/BCL-2和周期蛋白B1、D1的表達;圓二色和DNA熔點法檢測藥物與DNA結合情況;S180荷瘤鼠模型檢測藥物的抑瘤效果。結果 Api與Tan ⅡA聯用對BGC823等腫瘤細胞的增殖有協同抑制作用,聯用指數CI在0.28左右。兩藥聯用顯著增加了細胞凋亡(P<0.01),上調了胞內BAX/BCL-2比值(P<0.01);周期蛋白水平發生變化,細胞周期阻滯在S期得到強化。兩藥與DNA以兩種不同方式結合,DNA熱變性曲線顯著改變。體內抑瘤實驗證明與單藥相比,兩藥聯用荷瘤鼠腫瘤體積和腫瘤質量均顯著降低(P<0.01),抑瘤效果與環磷醯胺相當,但不良反應較小。結論 Api與TanⅡA聯用具有協同抗腫瘤作用;藥物與DNA以不同的方式結合,加劇了細胞周期的阻滯,是二者產生協同作用的核心機制。
近年來,腫瘤已經成為威脅人類生存健康的重大疾病。目前主要的治療手段由於靶點單一、耐藥性、不良反應大等原因無法根治腫瘤,手術、放療、化療後腫瘤易二次復發並擴散,臨床上需要一種低毒、多靶點的長期輔助藥物,用於手術、放化療後預防腫瘤的二次復發[1]。隨著植物化學研究的發展,人們發現了大量具有抗腫瘤活性的天然化合物,這些化合物毒性較低,不易產生耐藥性,但由於抗腫瘤效果和成藥性等問題,其臨床開發受到限制。具有抗腫瘤活性的天然化合物聯用,可同時作用於腫瘤細胞的多個靶點,並且具有協同抗腫瘤作用,是一種較好的給藥策略[2]。近年來,多藥聯合應用及其協同作用的研究越來越受到人們的重視[3]。
芹菜素(Api,圖1-A)是廣泛存在於蔬菜和水果中的一種黃酮類化合物,具有抗癌、抗氧化、抗炎、抗菌等多種生理功能[4]。Api對多種腫瘤細胞如抗膠質瘤[5]、前列腺癌[6]、胰腺癌細胞[7]、結腸癌[8]、乳腺癌[9]、卵巢癌[10]、宮頸癌[11]、肝癌[12]、肺癌細胞[13]具有抑制或促凋亡作用,其抗腫瘤的機制研究主要涉及的靶點有ROS[6,14-15]、p53[6,16-17]、AKT[18-19]、微管蛋白[5]、DNA[20]、Hsp90/Cdc37[4]等。
丹參酮ⅡA(Tan ⅡA,圖1-B)是一種在臨床上用來治療心血管疾病的天然化合物[21-22],對多種癌細胞如乳腺癌細胞[23-24]、前列腺癌細胞[25]、結腸癌細胞[26]、肝癌細胞[27-28]、肺癌細胞[29]等具有抑制作用。Tan ⅡA是一種多靶點的單體化合物,其主要靶點包括VEGF/VEGFR2[29]、Bax/Bcl-2[30]、NF-κB[31]和p53[32]等。研究表明,Tan ⅡA為DNA的小溝結合劑,通過與DNA的小溝結合,可有效激活p53,進而誘發細胞凋亡[32]。與化療藥物相比,Tan ⅡA不良反應小、安全性高[31],但其溶解性不佳、抗腫瘤作用不強,無法在臨床上用於抗腫瘤的治療[28]。
課題組前期研究發現,Api與Tan ⅡA聯用對腫瘤細胞具有協同抑制作用。本研究揭示了Tan ⅡA和Api在分子、細胞和動物水平上的協同抗腫瘤作用及作用機制。
1 儀器與材料
1.1 細胞株
人胃癌BGC823細胞、人乳腺癌MCF7細胞和人肝癌SMMC7721細胞由本課題組保存。
1.2 實驗動物
CL級BALB/c小鼠30隻,雌雄各半,6周齡,18~22 g,購自廣州中山大學實驗動物中心,動物合格證號SCXK(粵)2016-0029。
1.3 儀器
細胞培養箱、多功能酶標儀(Thermo公司);倒置顯微鏡(日本奧林巴斯公司);流式細胞儀(美國Becton Dickinson公司);圓二色譜分析儀(日本Jasco公司);垂直層流潔淨工作檯(西班牙Telstar公司)。
1.4 藥物與試劑
Tan ⅡA(批號150814)、Api(批號151205),質量分數均≥98%,購自四川維克奇生物技術有限公司;紫杉醇(批號NF-20160525,質量分數≥99%),購自西安天豐生物科技有限公司;環磷醯胺(CTX,批號SJ0121RA14,質量分數≥97%),購自上海源葉生物科技有限公司。
DMEM高糖培養基、胎牛血清,購自美國Hyclone公司;MTT、細胞凋亡檢測試劑盒,購自於南京凱基生物科技公司;BAX、BCL2、p53、周期蛋白B1、周期蛋白D1、GAPDH抗體,購自武漢三鷹生物技術有限公司;小牛胸腺DNA(CT-DNA)購自北京索萊寶有限公司。
2 方法
2.1 細胞培養
BGC823、MCF7、SMMC7721細胞分別用含10%胎牛血清的DMEM培養基,於5% CO2、37 ℃培養箱中培養。以1∶3傳代比,3~4 d傳代1次,傳代1~2次後即可用於後續實驗。
2.2 MTT法測定細胞增殖
以1×104/孔的密度分別將BGC823、MCF7、SMMC7721細胞接種於96孔板中,孵育24 h後分別加入Tan ⅡA(12.5、25、50、100、200 μmol/L)、Api(6.25、12.5、25、50、100 μmol/L)、紫杉醇(30 nmol/L),孵育48 h後棄去培養基,PBS洗滌1次,再加入100 μL含0.5 mg/mL MTT的無血清培養基孵育4 h,棄上清,加入100 μL DMSO,充分溶解後用酶標儀進行檢測,檢測波長570 nm,參考波長630 nm。
2.3 藥物協同指數確定
利用Chou-Talalay模型,可以計算出2種藥物共同作用的聯用指數CI[33]。當CI值>1時,2種化合物具有拮抗作用;當CI值=1時,2種化合物具有相加作用;當CI值<1時,2種化合物具有協同作用,當CI值<0.7時,2種化合物具有較強的協同效應。
CI=D1/(Dx)1+D2/(Dx)2
其中D1和D2分別代表聯合給藥時Tan ⅡA和Api的給藥濃度;(Dx)1和(Dx)2代表Tan ⅡA和Api達到聯合用藥抑制率時單獨給藥的濃度。
Dx=Dm(fa/fu)1/m
其中fa和fu為兩藥聯用時的抑制率和存活率。fa=1-fu;Dm是中位劑量(根據IC50理論計算)。對中效方程式兩邊取對數得到。
lg(fa/fu)=mlgD-mlgDm
2.4 細胞凋亡檢測
採用Annexin V-FITC凋亡試劑盒測定Tan ⅡA和Api對BGC823細胞的促凋亡作用。BGC823細胞以5×105/孔的密度接種於6 cm培養皿中,孵育24 h。分別加入Tan ⅡA(50 μmol/L)、Api(100 μmol/L),孵育48 h後收集細胞,用PBS洗滌2次,加入100 μL含2 μL AnnexinV-FITC的結合液,於冰上避光孵育10min,流式細胞儀進樣檢測。
2.5 細胞周期檢測
用無血清的DMEM高糖培養基將BGC823細胞以5×105/孔的密度接種於6 cm的平皿中,孵育18~24 h後,棄去培養基,分別加入用10% FBS培養基配製的Tan ⅡA(50 μmol/L)、Api(100 μmol/L),孵育24、48、72 h後,1 200 r/min離心5 min,收集細胞。用PBS洗滌2次,加入200 μL預冷的PBS重懸,逐滴加入2 mL預冷的75%乙醇中,於4 ℃固定24 h;1 000 r/min離心5 min,收集細胞,PBS洗滌1次,加入200 μL PI染色液(50 μg/mL PI、200 μg/mL RNase A、0.1% TritonX-100),室溫避光染色30 min,經300目尼龍網濾過,流式細胞儀進樣檢測。
2.6 DNA結合分析
採用圓二色(CD)法測定藥物與DNA的結合情況。分別在CT-DNA中加入Tan ⅡA(25、50、100 μmol/L)、Api(50、100、200 μmol/L),以CT-DNA(100 μmol/L)溶液作為對照,比較藥物引起的DNA特徵CD譜圖的變化。採用J-810圓二色譜儀掃描得到CD圖譜,使用前用乾燥的N2將光譜儀光學室的O2排淨,使用光程為1 cm的石英皿以500 nm/min掃描235~400 nm的CD光譜,響應時間為0.5 s,狹縫寬度為2 nm,掃描累計2次後自動計算平均值。
2.7 DNA熔點分析
分別在CT-DNA中分別加入Tan ⅡA(25、50、100 μmol/L)、Api(50、100、200 μmol/L),以CT-DNA(100 μmol/L)溶液作為對照,比較藥物引起的DNA熔點變化。樣品從25 ℃升溫至95 ℃,採用紫外分光光度儀檢測樣品在260 nm的紫外吸收值。紫外吸收值對溫度作圖得到DNA熱變性曲線。實驗重複3次,結果取3次實驗的平均值。
2.8 免疫印跡法檢測BCL2、BAX、p53、周期蛋白B1、周期蛋白D1的表達
BGC823細胞,分別加入Tan ⅡA(25、50 μmol/L)、Api(50、100 μmol/L),孵育48 h,收集細胞。用細胞裂解蛋白提取試劑盒提取細胞總蛋白,用BCA蛋白定量試劑盒測定蛋白濃度。蛋白樣品(100~120 μg)經12% SDS-PAGE電泳後,電轉至PVDF膜,用含5%脫脂奶粉的TBST緩衝液(20 mmol/LTris-HCl、120 mmol/LNaCl、0.1%聚山梨酯20)37 ℃,封閉1~2 h。加入一抗於4 ℃孵育過夜,TBST緩衝液洗滌3次,再加入二抗,室溫孵育1 h,TBST緩衝液洗滌4次。加入ECL發光液顯影,用Gel-Pro分析軟體分析目標蛋白的灰度值。
2.9 S180腫瘤模型抑瘤分析
小鼠ip 0.2 mL S180細胞,5~9 d後,在超淨工作檯內抽出腫瘤細胞,加入適量PBS,離心棄上清液,加入3倍體積的PBS重懸。將0.2 mL細胞液注射到小鼠右腋下。繼續飼養小鼠3~4 d,小鼠右腋有明顯硬塊則表明腫瘤細胞已在小鼠右腋下生長,篩選出右腋有明顯硬塊的小鼠用於實驗。
根據前期實驗探索,造模成功的小鼠分為對照組、Tan ⅡA(30 mg/kg)組、Api(60 mg/kg)組、Tan ⅡA與Api聯用組、CTX(20 mg/kg)組,每組6隻。Tan ⅡA、Api分別以25%大豆油水混合物超聲溶解,CTX以超純水溶解。各給藥組小鼠ig 0.5 mL相應藥物,1次/d,連續10 d。每天記錄各組小鼠體質量。10 d後,稱定小鼠體質量後處死,取出腫瘤稱定質量並用遊標卡尺測量腫瘤大小。測量腫瘤的長和寬,取平均值作為腫瘤的直徑。
腫瘤體積=(瘤長×瘤寬2)/2
腫瘤抑制率=1-藥物組腫瘤質量/對照組腫瘤質量
2.10 統計學分析
各實驗組均以表示,顯著性分析用SPSS 16.0軟體中的ANOVA的單因素方差分析。
3 結果
3.1 Tan ⅡA與Api對細胞增殖的影響
如圖2-A所示,Tan ⅡA和Api對BGC823細胞的毒性呈劑量相關性增加。給予Api(200 μmol/L),細胞存活率為(45.0±8.9)%;給予Tan ⅡA(100 μmol/L),細胞存活率為(46.5±8.7)%;Tan ⅡA(100 μmol/L)和Api(200 μmol/L)聯用,細胞存活率為(10.6±1.6)%。Api(25 μmol/L)與Tan ⅡA(12.5 μmol/L)聯用對細胞的毒性與紫杉醇相當。Api、Tan ⅡA的IC50分別為190、102 μmol/L;聯用時,Api、Tan ⅡA的IC50分別為25、12.5 μmol/L;聯用後,Api、Tan ⅡA的抗腫瘤活性均提高了8倍。如圖2-B所示,Api(25 μmol/L)與Tan ⅡA(12.5 μmol/L)的CI值為0.28。
如圖3所示,Tan ⅡA、Api對MCF7細胞的毒性呈劑量相關性增加。給予Api(50 μmol/L),細胞存活率為(72.0±5.1)%;給予Tan ⅡA(25 μmol/L),細胞存活率為(39.8±8.4)%;Tan ⅡA(50 μmol/L)和Api(25μmol/L)聯用,細胞存活率下降到(14.1±3.2)%。Tan ⅡA(50 μmol/L)和Api(12.5 μmol/L)對細胞的毒性與紫杉醇相當。Tan ⅡA(50 μmol/L)和Api(25 μmol/L)聯用的CI值為0.31。
如圖4所示,Tan ⅡA、Api對SMMC7721細胞的毒性呈劑量相關性增加。給予Api(50 μmol/L),細胞存活率為(86.2±2.3)%;給予Tan ⅡA(25 μmol/L),細胞存活率為(68.5±6.1)%;Tan ⅡA(50 μmol/L)和Api(25 μmol/L)聯用,細胞存活率下降到(27.0±2.6)%。Tan ⅡA(12.5 μmol/L)和Api(25 μmol/L)聯用對細胞的毒性與紫杉醇相當。Tan ⅡA(25 μmol/L)和Api(50 μmol/L)的CI值為0.25。
上述結果表明,Tan ⅡA和Api聯用對多種腫瘤細胞具有協同抗腫瘤作用。由於Tan ⅡA和Api對3種細胞協同抗腫瘤的效果差異不大,後續研究採用BG823細胞株為對象。
3.2 Tan ⅡA與Api對BGC823細胞凋亡的影響
如圖5所示,Tan ⅡA和Api聯用時,細胞早期凋亡率(Q4)為39.0%,高於TanⅡA組(14.7%)和Api組(29.8%);晚期凋亡與早期凋亡率之和(Q2+Q4)為65.4%,高於Tan ⅡA組(27.6%)和Api組(41.9%)。表明與單獨給藥相比,TanⅡA和Api聯用更能促進BGC823細胞凋亡。
如圖6-A、B所示,與對照組比較,TanⅡA、Api均顯著下調細胞中抗凋亡蛋白BCL2表達,上調促凋亡蛋白BAX的表達(P<0.01);與單獨給藥組比較,聯用組BCL2蛋白表達顯著降低,BAX蛋白表達顯著升高(P<0.01)。BCL2/BAX是啟動細胞凋亡的「分子開關」,BCL2/BAX降低促進細胞凋亡,升高則細胞凋亡耐受。Tan ⅡA和Api聯用時,BCL2表達降低,BAX表達升高,促進細胞凋亡。
促凋亡蛋白p53是BAX和BCL2的上遊調控蛋白,如圖6-C所示,與對照組比較,Tan ⅡA、Api均顯著升高細胞中p53表達(P<0.01);與單獨給藥組比較,聯用組p53蛋白表達顯著升高(P<0.01)。
以上結果表明,Tan ⅡA和Api存在協同抗腫瘤的作用,且與p53信號通路相關。
3.3 Tan ⅡA與Api對BGC823細胞周期的影響
如圖7所示,給予Tan ⅡA 24 h時,與對照組(54.17%)相比,G1期細胞佔比為52.77%,48 h時增加至57.14%,72 h時增加至60.72%;24 h時,與對照組(9.15%)相比,G2/M期細胞佔比為8.40%,48 h時明顯下降至2.90%,72 h時未檢測到G2/M期細胞;24、48、72 h時,S期細胞佔比為38.83%~39.95%,與對照組(36.67%)相比沒有顯著變化。上述結果說明Tan ⅡA將細胞周期阻滯在G1期。
與Tan ⅡA不同,給予Api 24 h時,與對照組(54.17%)比較,G1期細胞佔比降至41.22%,48 h上升至47.19%,72 h時降至38.47%;24 h時,與對照組(9.15%)比較,G2/M期細胞佔比上升至21.41%,48 h時為20.24%,72 h時上升至53.71%;24 h時,S期細胞佔比為37.38%,48 h時降至32.57%,72 h時降至7.82%。上述結果表明Api將細胞周期阻滯在G2/M期。
Tan ⅡA與Api聯用時,周期阻滯更加複雜。24 h時,G1期細胞佔比從54.17%降至49.56%,S期細胞佔比從36.67%降至23.57%,G2/M期細胞從9.15%增加至26.78%,說明細胞發生了G2/M期阻滯。48 h時,G1期細胞佔比從49.56%增加至69.58%,S期細胞佔比從23.57%降低至2.87%,G2/M期細胞26.78%上升至27.54%,說明細胞在G2/M期的基礎上還發生了G1期阻滯。72 h時,G1期細胞佔比從69.58%降低至36.73%,S期細胞佔比從2.87%增加至58.14%,G2/M期細胞從27.54%降低至5.13%,說明細胞發生了S期阻滯。
綜上,Tan ⅡA將細胞周期阻滯在G1期;Api將細胞周期阻滯在G2/M期;Tan ⅡA與Api聯用時,細胞發生多個檢查點的周期阻滯,24 h先阻滯於G2/M期,48 h阻滯於G1期和G2/M期,72 h阻滯於S期。
細胞的細胞周期受到嚴格的調控,當細胞周期阻滯時,周期蛋白水平發生改變。Cyclin B1參與調控細胞周期從G2期向M期過渡,細胞進入M期後,Cyclin B1水平減少,因此當周期阻滯於G2/M期,Cyclin B1水平增加。Cyclin D1參與調控細胞周期從G1期向S期過渡,細胞進入S期後,Cyclin D1水平減少,因此當周期阻滯在G1期,CyclinD1水平增加。如圖8所示,Api單獨給藥後,細胞內Cyclin B1蛋白表達顯著增加(P<0.01),提示細胞發生G2/M期阻滯。Tan ⅡA單獨給藥後,細胞內CyclinD1蛋白表達顯著增加(P<0.01),提示細胞阻滯在G1期。Tan ⅡA與Api聯用48 h後,與單獨給藥組相比,細胞內Cyclin B1蛋白表達顯著增加,Cyclin D1蛋白表達顯著減少(P<0.01),提示此時發生了多個檢查點的周期阻滯,細胞處於G2期和S期阻滯。
3.4 Tan ⅡA、Api與DNA的相互作用
p53是DNA損傷的響應元件,為了進一步探討Tan ⅡA與Api的協同機制,採用CD光譜法和DNA熔點檢測來考察Tan ⅡA、Api與DNA的相互作用。
如圖9-A所示,無藥物處理時,CT-DNA呈現典型的B型DNA圖譜;Api與DNA孵育後,在300~400 nm產生了誘導圓二色(ICD)信號,且信號隨Api劑量增加而增強,說明Api與CT-DNA之間產生了相互作用。通常較強的ICD信號表示產生了外部的結合模式(溝槽結合或外部堆積),較弱的ICD信號表示對應嵌入結合模式,嵌插劑的發色團分子長軸與DNA鹼基對長軸垂直時產生正的ICD信號,而嵌插劑發色團分子長軸與DNA鹼基對長軸平行時產生負的ICD信號。
因此,結果表明,隨Api劑量增加,Api與DNA產生了溝槽結合和外部堆積。如圖9-B所示,Tan ⅡA與CT-DNA孵育後,在276 nm處信號增強。說明Tan ⅡA與DNA結合,改變了DNA骨架的鹼基堆積結構。如圖9-C所示,當Tan ⅡA、Api與DNA同時孵育時,兩種CD信號同時顯現,說明同時發生了兩種不同方式的結合。兩種藥物聯用時,在300~400 nm ICD信號由正轉負,提示可能產生了DNA嵌入。
如圖10所示,Tan ⅡA、Api與DNA結合後熱變性曲線發生了明顯的變化。Api與CT-DNA結合後熱變性曲線上移,Tan ⅡA與CT-DNA結合後,熱變性曲線下移,Tan ⅡA、Api混合物與CT-DNA結合後,熱變性曲線顯著下移,說明Tan ⅡA、Api同時與DNA結合後,對DNA的穩定性產生了更大的改變。
3.5 Tan ⅡA與Api對荷瘤鼠的作用
如圖11-A所示,與對照組比較,CTX組小鼠體質量顯著降低(P<0.01),Tan ⅡA、Api單獨給藥和聯合給藥組小鼠體質量均無顯著變化,表明Tan ⅡA與Api對小鼠的毒性較低。
如圖11-B~D、表1所示,Tan ⅡA、Api組腫瘤質量為(1.93±0.35)、(2.22±0.47)g,與對照組(2.17±0.24)g相比無顯著變化;Tan ⅡA與Api聯組腫瘤質量為(1.35±0.12)g,與對照組相比顯著降低(P<0.01),抑瘤效果優於CTX組(1.79±0.28)g。說明Tan ⅡA與Api在小鼠體內可以發揮協同抗腫瘤作用。
4 討論
遺傳物質DNA是抗腫瘤藥物作用的重要靶點。DNA結合劑可以幹擾DNA與蛋白之間的相互作用,並影響DNA複製、轉錄、翻譯、修復等一系列生物過程。DNA結合劑主要包括小溝結合劑、大溝結合劑和DNA嵌入劑[34]。
本研究發現Tan ⅡA與Api都能夠與CT-DNA發生相互作用,但作用的方式不同,Tan ⅡA改變了CT-DNA的鹼基堆積,但沒有改變螺旋的結構;Api以外部結合的方式與CT-DNA結合。Tan ⅡA與Api聯用,改變CT-DNA的鹼基堆積及外部溝槽結合堆積兩種結合同時發生。Tan ⅡA和Api都能夠影響CT-DNA的熱變性曲線,兩者聯合使CT-DNA的熱變性曲線顯著下移。表明Tan ⅡA嵌入DNA雙螺旋的結構中,改變了雙螺旋的鹼基堆積;Api以相對較弱的作用力在外部與DNA雙螺旋結合;這兩種作用力同時出現,改變了DNA的穩定性,影響DNA複製、轉錄、翻譯、修復等。
細胞周期結果顯示,Tan ⅡA將細胞阻滯在G1、S期,Api將細胞阻滯在G2/M期;兩種藥物聯用使細胞周期的阻滯增強,多個細胞檢查點上發生周期阻滯。24~72 h,細胞先後發生G2/M期阻滯、G1期和G2/M期阻滯、S期阻滯。因此,由於Tan ⅡA、Api與DNA結合,幹擾DNA的轉錄、複製等,使細胞無法增殖,從而誘導腫瘤細胞凋亡。
本研究發現Tan ⅡA和Api聯用對BGC823、MCF7、SMMC7721細胞都具有顯著的協同抗腫瘤作用,並且Api(25 μmol/L)與TanⅡA(12.5 μmol/L)聯用的細胞毒性與紫杉醇(30 nmol/L)相當。S180荷瘤鼠的抑瘤實驗證實了Tan ⅡA與Api的協同抗腫瘤作用,與CTX相比,抑瘤效果更優、不良反應更小。
腫瘤是典型的內生性疾病,致病基因和靶點複雜。單一靶點的化學藥物,很難解決問題,並且腫瘤細胞的變異也會造成耐藥性問題。因此,抗腫瘤藥物設計、篩選時,多靶點協同作用可解決藥物有效性、耐藥性、不良反應的問題。
Tan ⅡA與Api作為中草藥的有效活性成分,均具有一定的抗腫瘤作用,但因為抗腫瘤效果不強和成藥性等問題無法應用於臨床。本研究利用Tan ⅡA與Api的協同作用機制,通過聯合給藥增強了抗腫瘤的功效,降低了不良反應,為開發低毒、高效的抗腫瘤輔助用藥提供理論支持,也為中藥現代化提供了方向。
參考文獻(略)
來 源: 李瑩雪,王銳銀,包永明.芹菜素與丹參酮ⅡA的協同抗腫瘤作用及機制 [J]. 中草藥, 2020, 51(22):5788-5797.