王紅明 朱大興 吳志浩 周清華

癌癥極大地威脅著人類的健康，其中肺癌占據(jù)全球惡性腫瘤死亡原因的首位[1]。肺腺癌是肺癌的重要組織學(xué)類型，其惡性程度很高，極易出現(xiàn)浸潤和轉(zhuǎn)移。肺癌晚期的主要表現(xiàn)是發(fā)生轉(zhuǎn)移，它是肺癌的惡性標(biāo)志和特征，也是肺癌患者治療失敗和死亡的主要原因，nm23-H1基因的低表達(dá)就是肺癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的重要原因之一[2,3]。近年來，隨著活體生物發(fā)光技術(shù)被廣泛應(yīng)用于動物模型的研究，我們能夠通過活體生物成像系統(tǒng)直接監(jiān)控生物體內(nèi)的細(xì)胞活動和基因行為。特別是在各種類型的腫瘤研究中，能夠直接快速地測量各種腫瘤動物模型中腫瘤細(xì)胞的生長和轉(zhuǎn)移狀態(tài)，并可對治療中腫瘤細(xì)胞的變化進(jìn)行實時觀測和評估。能夠無創(chuàng)傷地對動物整體的原位瘤、轉(zhuǎn)移瘤及自發(fā)瘤進(jìn)行檢測及計量，即使微小的遷移也能被檢出[4-6]。

本實驗室先前已成功構(gòu)建nm23-H1表達(dá)缺失的人肺腺癌細(xì)胞株A549/nm23-H1-shRNA。在此基礎(chǔ)上，本研究通過穩(wěn)定轉(zhuǎn)染攜帶有螢火蟲熒光素酶（luc）基因的質(zhì)粒進(jìn)入該細(xì)胞株中，利用潮霉素B篩選出能穩(wěn)定表達(dá)熒光素酶的細(xì)胞株A549/nm23-H1-shRNA-luc。借助活體成像技術(shù)，對構(gòu)建的細(xì)胞株進(jìn)行體內(nèi)外生物發(fā)光檢測，為后續(xù)轉(zhuǎn)移相關(guān)的動物試驗的研究奠定好基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料 nm23-H1表達(dá)缺失的人肺腺癌細(xì)胞株A549（A549/nm23-H1-shRNA）由本實驗室構(gòu)建；細(xì)胞培養(yǎng)基是RPMI-1640（GIBCO）并添加10%的小牛血清（NCS, GIBCO）；質(zhì)粒表達(dá)載體（PGL4.50）購自Promega Corporation；質(zhì)粒大提取盒購自Qiagen公司（Hispeed Plasmid Maxi Kit）；感受態(tài)細(xì)胞（Trans5α Chemically Competent Cell）購自北京全式金生物技術(shù)有限公司；轉(zhuǎn)染試劑為PolyJetTMIn Vitro DNA Transfection Reagent（SignaGen Laboratories）；篩選試劑為潮霉素B購自德國Merck公司；熒光素（Luciferin）購自Promega Corporation；實驗動物為裸鼠，雌性，4周齡，15 g左右，購自北京維通利華實驗動物技術(shù)有限公司。精諾真活體成像系統(tǒng)（購自美國公司，IVIS200）由本實驗室提供。

1.2 方法

1.2.1 質(zhì)粒擴(kuò)增與提取 按常用方法進(jìn)行細(xì)菌轉(zhuǎn)化和質(zhì)粒擴(kuò)增。質(zhì)粒提取過程參照Qiagen公司提供的大提取試劑盒說明書進(jìn)行。所提取的質(zhì)粒利用紫外分光光度計（Beckman DU800）進(jìn)行純度和濃度的測定。

1.2.2 潮霉素最佳篩選濃度的測定 將處于對數(shù)生長期的nm23-H1表達(dá)缺失人肺腺癌細(xì)胞株A549/nm23-H1-shRNA用0.25%胰酶消化，以5×104個/孔接種于24孔板中，加入含10%NCS的RPMI-1640培養(yǎng)基于37oC、5%CO2的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)過夜。鋪板第2天加入不同濃度的潮霉素（50 μg/mL、100 μg/mL、150 μg/mL、200 μg/mL、250 μg/mL、300 μg/mL、350 μg/mL、400 μg/mL、450 μg/mL、500 μg/mL、550 μg/mL、600 μg/mL），每3天換液1次，換液的同時加入以上不同濃度的潮霉素，共培養(yǎng)2周-3周。

1.2.3 細(xì)胞轉(zhuǎn)染

1.2.3.1 A549/nm23-H1-shRNA人肺腺癌細(xì)胞的培養(yǎng) 轉(zhuǎn)染前1天，用0.25%胰酶消化細(xì)胞，利用含10%NCS的RPMI-1640培養(yǎng)基將處于對數(shù)生長期的細(xì)胞制備成單細(xì)胞懸液，按3×105個/孔接種于6孔板中，每孔培養(yǎng)基為2 mL，置于37oC、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，待細(xì)胞生長至鋪滿孔底80%左右后進(jìn)行試驗。

1.2.3.2 PolyJetTM/DNA混合液的制備及轉(zhuǎn)染 轉(zhuǎn)染當(dāng)天每個培養(yǎng)孔更換為無小牛血清的RPMI-1640培養(yǎng)基1 mL。取6 μg PGL4.50質(zhì)粒與300 μL無血清含高糖的DMEM培養(yǎng)基輕輕混合均勻，標(biāo)記為A管，再將18 μL PolyJetTM與300 μL無血清含高糖的DMEM培養(yǎng)基輕輕混合均勻，標(biāo)記為B管，然后立即將B管中轉(zhuǎn)染試劑混合液加入A管中充分混合。室溫孵育15 min后將PolyJetTM/DNA懸液按100 μL/孔緩緩加入6孔板中，輕輕搖勻后置于37oC、5%CO2培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)，5 h后，更換新鮮的含10%NCS的RPMI-1640培養(yǎng)基。

1.2.3.3 藥物篩選 轉(zhuǎn)染48 h后，棄去培養(yǎng)基，用PBS洗1遍。加入含有潮霉素的培養(yǎng)基進(jìn)行篩選。每2-4天觀察細(xì)胞生長情況，并重新更換含有潮霉素的培養(yǎng)基。2周后，出現(xiàn)克隆。

1.2.3.4 篩選穩(wěn)定的細(xì)胞株 挑選生長狀態(tài)良好的單克隆至96孔板中，用含潮霉素的培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)，待細(xì)胞約90%-100%匯合后，轉(zhuǎn)移至48孔板繼續(xù)培養(yǎng)。同樣，當(dāng)細(xì)胞生長至90%-100%左右時擴(kuò)至24孔板中培養(yǎng)，再12孔板，6孔板，最后至90 mm的培養(yǎng)皿中培養(yǎng)。取部分細(xì)胞用0.25%的胰酶充分消化后，用PBS洗滌2遍，于IVIS系統(tǒng)成像觀察，挑選發(fā)光最強的1個克隆，分別凍存、繼續(xù)擴(kuò)增培養(yǎng)。

1.2.3.5 A549/nm23-H1-shRNA-luc細(xì)胞體外成像及其穩(wěn)定性評估 將陽性單克隆細(xì)胞株用0.25%胰酶消化、計數(shù)，取1×104個細(xì)胞懸浮于100 μL培養(yǎng)基中，按1:2的比例逐孔稀釋，接種于黑色的96孔板中，使細(xì)胞數(shù)按2:1比例逐孔遞減，分別加入熒光素（150 μg/mL），另設(shè)2孔作為陰性對照。靜置3 min-4 min后，成像1 min。生物發(fā)光值按每秒光子量（photons/s）計算。繼續(xù)將A549/nm23-H1-shRNA-luc細(xì)胞持續(xù)培養(yǎng)9周（共計40代），每隔8代利用活體成像技術(shù)檢測細(xì)胞生物發(fā)光情況一次，以觀察luc基因是否穩(wěn)定表達(dá)。

1.2.3.6 A549/nm23-H1-shRNA-luc細(xì)胞在活體內(nèi)發(fā)光影像及其穩(wěn)定性的檢測 每只裸鼠（共10只，雌性，每只約15 g）右后腹股溝處皮下注射0.1 mL的A549/nm23-H1-shRNA-luc細(xì)胞懸液（濃度為4×107個/mL），然后給每只裸鼠腹腔內(nèi)注射0.2 mL的熒光素（用1×PBS配置成15 mg/mL的熒光素，并過濾）。7 min-8 min后，將其放入麻醉箱內(nèi)用氣體異氟烷麻醉，并成像1 s。觀察及測量結(jié)束后，斷頸處死裸鼠。

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理 采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件及Excel 2003分析作圖，資料描述使用均值、標(biāo)準(zhǔn)差等指標(biāo)。統(tǒng)計推斷運用方差分析、直線相關(guān)等方法，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 潮霉素最佳篩選濃度的測定結(jié)果 按實驗設(shè)計加入不同濃度的潮霉素（50 μg/mL、100 μg/mL、150 μg/mL、200 μg/mL、250 μg/mL、300 μg/mL、350 μg/mL、400 μg/mL、450 μg/mL、500 μg/mL、550 μg/mL、600 μg/mL），培養(yǎng)5 d后，每孔均可見不同程度的細(xì)胞死亡，培養(yǎng)14 d后，潮霉素濃度為300 μg/mL、350 μg/mL及以上的組的細(xì)胞均死亡，并可見細(xì)胞骨架及碎片。其它組濃度的細(xì)胞雖也有不同程度的細(xì)胞死亡但未完全死亡。因此可以確定潮霉素對nm23-H1表達(dá)缺失的人肺腺癌細(xì)胞A549（A549/nm23-H1-shRNA）的最佳篩選濃度為300 μg/mL（圖1）。

圖1 濃度梯度實驗中，A549/nm23-H1-shRNA細(xì)胞在加不同濃度潮霉素14 d后顯微鏡下的變化（×40）。A：A549/nm23-H1-shRNA細(xì)胞在潮霉素濃度為250 μg/mL下14 d后的變化；B：A549/nm23-H1-shRNA細(xì)胞在潮霉素濃度為300 μg/mL下14 d后的變化；C：A549/nm23-H1-shRNA細(xì)胞在潮霉素濃度為350 μg/mL下14 d后的變化。Fig 1 Morphologic changes of A549/nm23-H1-shRNA cells under microscope which were added different doses of hygromycin B in 14 days in concentration gradient experiment (×40). A: The changes of A549/nm23-H1-shRNA cells under microscope which were added hygromycin B (250 μg/mL) in 14 days; B: The changes of A549/nm23-H1-shRNA cells under microscope which were added hygromycin B (300 μg/mL) in 14 days; C: The changes of A549/nm23-H1-shRNA cells under microscope which were added hygromycin B (350 μg/mL) in 14 days.

2.2 細(xì)胞轉(zhuǎn)染后陽性克隆的形成 A549/nm23-H1-shRNA細(xì)胞在80%匯合度時應(yīng)用PolyJetTM轉(zhuǎn)染試劑轉(zhuǎn)染攜帶有l(wèi)uc基因的質(zhì)粒PGL4.50。48 h后，加入潮霉素（300 μg/mL）。5 d后大部分細(xì)胞死亡，僅有少部分細(xì)胞存活，并形成克隆（14 d）。將形成的克隆繼續(xù)在含300 μg/mL潮霉素的培養(yǎng)基中篩選擴(kuò)增（圖2）。

2.3 A549/nm23-H1-shRNA-luc細(xì)胞體外成像鑒定 攜帶有l(wèi)uc基因的質(zhì)粒經(jīng)擴(kuò)增和純化后可以有效轉(zhuǎn)染nm23-H1表達(dá)缺失的人肺腺癌A549細(xì)胞，在含有300 μg/mL潮霉素培養(yǎng)液中可篩選出高表達(dá)的陽性細(xì)胞株。由圖3可見，每孔最小可探測到的細(xì)胞數(shù)為39個。細(xì)胞發(fā)光值（y）對細(xì)胞數(shù)目（x）的回歸方程是：y=3,699.9x+992,237，R2=0.975,1，顯示細(xì)胞數(shù)目與發(fā)光值呈直線相關(guān)（圖4），同時也證明了熒光素酶基因已經(jīng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)入A549/nm23-H1-shRNA細(xì)胞中。

2.4 評估A549/nm23-H1-shRNA-luc細(xì)胞表達(dá)熒光素酶的穩(wěn)定性 每次檢測細(xì)胞生物發(fā)光值均設(shè)3個復(fù)孔，約隔周成像檢測，共5次。其結(jié)果為：（3.14±0.55）×107、（3.29±0.49）×107、（3.27±0.25）×107、（3.26±0.13）×107、（3.12±0.22）×107。各組相比差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）（圖5）。這說明，隨著細(xì)胞傳代數(shù)的增加，細(xì)胞表達(dá)熒光素酶（luciferase）活性無明顯變化，仍能維持在穩(wěn)定水平。

2.5 A549/nm23-H1-shRNA-luc細(xì)胞在裸鼠體內(nèi)成像的觀察及分析 A549/nm23-H1-shRNA-luc肺癌細(xì)胞株在裸鼠體內(nèi)的熒光信號在接種后可以被檢測到。隨機(jī)把裸鼠種植瘤模型分成兩組（5只/組），分別命名為：Group 1和Group 2（圖6），所測得的生物發(fā)光值均在同一數(shù)量級（109）（圖7），兩組所測得的生物發(fā)光值差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

圖2 A549/nm23-H1-shRNA細(xì)胞轉(zhuǎn)染前后及加潮霉素篩選后顯微鏡下變化（×40）。A：A549/nm23-H1-shRNA細(xì)胞在80%匯合度時的細(xì)胞形態(tài)；B：A549/nm23-H1-shRNA細(xì)胞在轉(zhuǎn)染PGL4.50質(zhì)粒48 h后的細(xì)胞形態(tài)；C：A549/nm23-H1-shRNA細(xì)胞在轉(zhuǎn)染后加潮霉素篩選5 d后僅存的細(xì)胞形態(tài)；D：A549/nm23-H1-shRNA細(xì)胞在轉(zhuǎn)染后加潮霉素篩選14 d后單克隆的細(xì)胞形態(tài)；E：A549/nm23-H1-shRNA-luc細(xì)胞鋪滿孔底后的細(xì)胞形態(tài)。Fig 2 Morphologies of A549/nm23-H1-shRNA cells before and after being transfected with PGL4.50 and changes after being added hygromycin B (×40). A: The morphology of A549/nm23-H1-shRNA cells up to 80%; B: The morphology of A549/nm23-H1-shRNA cells after 48 h of being transfected with PGL4.50; C: The morphology of A549/nm23-H1-shRNA cells that survived after 5 days of being added hygromycin B; D: The morphology of the monoclonal cells after 14 days of being added hygromycin B; E: The morphology of A549/nm23-H1-shRNA-luc cells up to 100%.

圖3 A549/nm23-H1-shRNA-luc細(xì)胞活體外成像圖示，最小可檢測到的細(xì)胞數(shù)目為39個。Fig 3 In vitro bioluminescence imaging of A549/nm23-H1-shRNA-luc cells, 39 cells are detectable at least.

圖4 細(xì)胞數(shù)目和發(fā)光值呈明顯的直線相關(guān)性（R2=0.975,1,P＜0.001）Fig 4 An apparent correlation between the number of cells and bioluminescence values is well analyzed(R2=0.975,1, P＜0.001)

圖5 A549/nm23-H1-shRNA-luc細(xì)胞活體外生物發(fā)光值的穩(wěn)定性評估示意圖（P＞0.05）Fig 5 The bar chart to evaluate the stability of bioluminescence values of A549/nm23-H1-shRNA-luc cells in vitro (P＞0.05)

3 討論

隨著對腫瘤分子生物學(xué)研究的深入，對基因、蛋白質(zhì)功能的探索，我們最終研究的方向是在生物的活體環(huán)境中進(jìn)行[7-11]。但傳統(tǒng)的動物實驗方法需要在不同時間點宰殺實驗動物以獲得數(shù)據(jù)，得到多個時間點的實驗結(jié)果，其局限性主要表現(xiàn)為動物需求量大、實驗過程中人為操作差異性大、實驗過程耗時、獲取信息量少等。近年來，隨著微型非侵入性成像技術(shù)的發(fā)展，在實驗動物環(huán)境中追蹤腫瘤的發(fā)生發(fā)展成為可能[12]。相比之下，體內(nèi)可見光成像通過對同一組實驗對象在不同時間點進(jìn)行記錄，跟蹤同一觀察目標(biāo)（標(biāo)記細(xì)胞及基因）的移動及變化，由于能夠?qū)ν粍游镞M(jìn)行連續(xù)檢測，在最大程度上減少了不同實驗動物之間的個體差異以及傳統(tǒng)檢測方法的誤差所造成的對實驗結(jié)果的影響[13]。動物活體體內(nèi)光學(xué)成像主要有生物發(fā)光（bioluminescence）與熒光（fluorescence）兩種技術(shù)。生物發(fā)光技術(shù)是應(yīng)用熒光素酶基因標(biāo)記細(xì)胞或DNA，而熒光技術(shù)則采用熒光報告基團(tuán)進(jìn)行標(biāo)記，然后利用靈敏的光學(xué)儀器直接檢測活體生物體內(nèi)的細(xì)胞活動和基因行為。生物發(fā)光技術(shù)相對于熒光技術(shù)而言，其具有檢測的靈敏度高、特異性強、發(fā)光背景低、并能檢測深部腫瘤等特點[14]，生物活體發(fā)光技術(shù)已成為當(dāng)今體內(nèi)研究的熱點，其原理是在小的哺乳動物體內(nèi)利用報告基因—熒光素酶基因表達(dá)所產(chǎn)生的熒光素酶蛋白（luciferase）與其小分子底物熒光素（luciferin）在氧，Mg2+存在的條件下消耗ATP發(fā)生氧化反應(yīng)，將部分化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽饽茚尫?。因此只有在活?xì)胞內(nèi)才會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，并且光的強度與標(biāo)記細(xì)胞的數(shù)目線性相關(guān)。在體外利用敏感的CCD相機(jī)設(shè)備定量檢測體內(nèi)所發(fā)射的光子數(shù)量并將之轉(zhuǎn)換成圖像。它可以快速地測量各種癌癥模型中腫瘤的生長，并可對癌癥治療中癌細(xì)胞的變化進(jìn)行實時觀測評估；可以無創(chuàng)傷地定量檢測小鼠整體的原位瘤、轉(zhuǎn)移瘤等[15]。其中，采用熒光素酶基因標(biāo)記腫瘤細(xì)胞，使腫瘤細(xì)胞成為發(fā)光源，是后續(xù)建立移植瘤動物模型的基礎(chǔ)。經(jīng)過標(biāo)記后的腫瘤細(xì)胞能夠穩(wěn)定表達(dá)熒光素酶，其發(fā)光強度和細(xì)胞的數(shù)量具有非常好的線性關(guān)系[16]?，F(xiàn)行建立熒光素酶動物模型所使用的報告基因多為luc+型熒光素酶基因，本文中使用的是PGL4.50質(zhì)粒載體攜帶有新一代luc2型高靈敏熒光素酶報告基因，其熒光素酶表達(dá)水平較普遍使用的luc+型有很大提高，催化底物熒光素發(fā)生氧化反應(yīng)的效率更高，生物發(fā)光信號更強，因此對肺腺癌移植瘤動物模型中腫瘤細(xì)胞的檢測更加靈敏。

圖6 裸鼠種植A549/nm23-H1-shRNA-luc腫瘤細(xì)胞后活體成像圖示Fig 6 In vivo imaging of two groups of nude mice after A549/nm23-H1-shRNA-luc cells were implanted into nude mice

圖7 裸鼠種植A549/nm23-H1-shRNA-luc細(xì)胞后活體成像所測得的生物發(fā)光值Fig 7 The bar chart of bioluminescence values in vivo after A549/nm23-H1-shRNA-luc cells were implanted into nude mice

結(jié)合本實驗室的研究方向，我們希望構(gòu)建出一個高轉(zhuǎn)移肺癌移植瘤模型。本研究通過對nm23-H1表達(dá)缺失的人肺腺癌細(xì)胞株A549/nm23-H1-shRNA進(jìn)行l(wèi)uc基因標(biāo)記，構(gòu)建出能在免疫缺陷的裸鼠體內(nèi)生長、轉(zhuǎn)移，并能穩(wěn)定表達(dá)熒光素酶的細(xì)胞株A549/nm23-H1-shRNA-luc。本研究體外生物發(fā)光檢測結(jié)果顯示所篩選的穩(wěn)定細(xì)胞株A549/nm23-H1-shRNA-luc的細(xì)胞數(shù)和其生物發(fā)光強度呈明顯的線性相關(guān)，最小可探測到的細(xì)胞數(shù)為39個，且多次、間斷的細(xì)胞體外活體成像數(shù)據(jù)顯示，隨著傳代和時間的變化，該細(xì)胞株的生物發(fā)光值無明顯改變（P＞0.05）（圖5）。體內(nèi)生物發(fā)光結(jié)果顯示，兩組相同細(xì)胞在裸鼠體內(nèi)所測得的生物發(fā)光值的差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）（圖7）。以上體內(nèi)外實驗結(jié)果無一不證實了我們所構(gòu)建的A549/nm23-H1-shRNA-luc細(xì)胞株是能夠在非選擇條件下穩(wěn)定、長期地表達(dá)熒光素酶的細(xì)胞株。這種由活體成像技術(shù)所提供的數(shù)據(jù)，為以后判斷腫瘤生長的大小提供了量化指標(biāo)，從而為直接用生物發(fā)光強度判斷腫瘤細(xì)胞在裸鼠體內(nèi)生長和轉(zhuǎn)移提供了依據(jù)。

下一步筆者將對建立好的nm23-H1表達(dá)缺失的肺腺癌移植瘤動物模型進(jìn)行相關(guān)基因靶向治療的研究。通過生物活體成像技術(shù)可以對治療后動物體內(nèi)腫瘤細(xì)胞進(jìn)展變化進(jìn)行量化以判斷治療效果[17-20]，這為基因治療的研究及發(fā)展提供新的方向。