王朝元,易繼凌,宋 超,魏甜甜,唐俊龍,楊光忠
(1 中南民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,武漢430074;2中南民族大學(xué) 藥學(xué)院,武漢430074)
接骨草(Sambucuschinensis)為忍冬科接骨木屬,又名陸英、杜仲.主要分布于華北、華南、陜西、甘肅、四川、寧夏等省區(qū).接骨草的根、莖、葉、花和果實(shí)均可入藥,有祛風(fēng)除濕、活血化瘀之功效.在傳統(tǒng)中醫(yī)藥中,它可治療風(fēng)濕疼痛、痢疾、黃疸、慢性氣管炎、風(fēng)疹瘙癢、丹毒、跌打損傷和骨折[1,2],目前關(guān)于接骨草防治骨質(zhì)疏松和促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖的報(bào)道較多[3],但其促進(jìn)骨折愈合的有效成分尚不清楚.
綠原酸(chlorogenic acid ,CGA)是接骨草的化學(xué)成分之一,通常存在于杜仲、金銀花、葵花籽粕等植物中[4,5].現(xiàn)有研究表明:CGA具有廣泛的生理活性和藥理活性,如利膽、抗菌、降壓、增加白血球和興奮中樞系統(tǒng),抗腫瘤,清除自由基等[6-8].故本實(shí)驗(yàn)以成骨細(xì)胞MC3T3-E1為體外模型,研究CGA對(duì)成骨細(xì)胞活性、ALP活性和成骨分化相關(guān)基因的影響,以闡明其是否具有促成骨作用,為接骨草的臨床應(yīng)用提供理論依據(jù).
CGA(SIGMA-ALDRICH公司),α-MEM培養(yǎng)基(Thermo賽默飛世爾生化制品有限公司),胎牛血清(杭州四季青公司),0.25%的胰蛋白酶(Thermo),青鏈霉素(Thermo),DMSO(Amresco,0231),MTT(Amerro),堿性磷酸酶試劑盒(南京建成生物工程研究所),BCA蛋白試劑盒(碧云天生物技術(shù)研究所),反轉(zhuǎn)錄試劑盒(Thermo),SYBR Green熒光染料(日本TOYOBO公司).
細(xì)胞培養(yǎng)瓶(美國Corning公司),96孔、24孔、6孔培養(yǎng)板(美國Corning公司),CO2培養(yǎng)箱(HF90/240型,利康生物醫(yī)療科技控股集團(tuán)),倒置顯微鏡(Motic AE21型,重慶光學(xué)儀器),酶聯(lián)免疫分析儀(MULTISKAN ASCENT 354型,thermo),PCR儀(Biometra),凝膠成像分析儀(JS-380A,上海培清科技),熒光定量PCR儀(ABI,7500 fast).
稱取0.05g CGA溶于50 mL α-MEM培養(yǎng)基(無血清),配制成濃度為1 mg/mL的儲(chǔ)備液.再用含10%血清的α-MEM培養(yǎng)基將CGA儲(chǔ)備液倍比稀釋為11.02,22.05,44.09,88.19μmol/L等處理細(xì)胞.
取液氮凍存的成骨細(xì)胞MC3T3-E1復(fù)蘇后,用含有10%胎牛血清的α-MEM完全培養(yǎng)基,置于37℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng),每隔3~4d更換1次培養(yǎng)基,待細(xì)胞90%鋪滿瓶底時(shí),用0.25%的胰蛋白酶消化,按1︰2傳代培養(yǎng).
將生長(zhǎng)狀態(tài)良好的MC3T3-E1細(xì)胞以5×103/孔接種于96孔板中,置于37℃,5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng).細(xì)胞貼壁后,分別加入含上述濃度CGA的培養(yǎng)基,設(shè)不加藥為對(duì)照組,每組5個(gè)復(fù)孔,分別培養(yǎng)0,1,3 d后,每孔分別加入20 μL MTT,置于37℃,5% CO2培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng),反應(yīng)4 h,小心吸出上清液,每孔加入150 μL DMSO,吹打均勻后,在37℃培養(yǎng)箱中溫育10 min,使其紫色結(jié)晶完全溶解,用酶標(biāo)儀在492nm波長(zhǎng)處測(cè)定其OD值.
將生長(zhǎng)狀態(tài)良好的成骨細(xì)胞MC3T3-E1按105/孔接種到24孔板中,置于37℃,5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng).待細(xì)胞貼壁后加入22.05,44.09 μmol/L藥物(該濃度下對(duì)成骨細(xì)胞增殖促進(jìn)作用較好)設(shè)不加藥為對(duì)照組,每組3個(gè)復(fù)孔,分別培養(yǎng)2,4,6 d后,按照ALP試劑盒和BCA蛋白試劑盒的操作步驟測(cè)定細(xì)胞中ALP活性.
將生長(zhǎng)狀態(tài)良好的MC3T3-E1細(xì)胞按2×105/孔接種到6孔板中,置于37℃,5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng).待細(xì)胞貼壁后加入藥物,設(shè)不加藥為對(duì)照組,每組3個(gè)復(fù)孔,分別培養(yǎng)2,4,6 d后,用Trizol法提取總RNA,用反轉(zhuǎn)錄試劑盒合成cDNA,并進(jìn)行real-time PCR.反應(yīng)條件:95℃,15s;60℃,15s;72℃,45s;40個(gè)循環(huán).以看家基因GAPDH為內(nèi)參,每個(gè)樣品設(shè)3個(gè)復(fù)孔,采用2﹣ΔΔCt法[9]檢測(cè)成骨分化相關(guān)基因的表達(dá),不同骨相關(guān)基因PCR引物序列如見表1.
表1 熒光定量PCR引物序列
根據(jù)公式F=2﹣[(待測(cè)組目的基因平均Ct值-待測(cè)組內(nèi)參基因平均Ct值)-(對(duì)照組目的基因平均Ct值-對(duì)照組內(nèi)參基因平均Ct值)],計(jì)算出目的基因的相對(duì)表達(dá)量.用單因素方差分析(one-way ANOVA)對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯著性差異分析.
不同濃度CGA對(duì)成骨細(xì)胞增殖的影響結(jié)果見圖1.如圖1所示,CGA濃度為11.02~88.19μmol/L時(shí),對(duì)成骨細(xì)胞的增殖均有較好的促進(jìn)作用,選擇22.05,44.09 μmol/L兩個(gè)濃度用于后續(xù)實(shí)驗(yàn).
1)control;2~5)依次為11.02,22.05,44.09,88.19μmol/L CGA
CGA對(duì)成骨細(xì)胞ALP活性的影響見圖2.由圖2可見,培養(yǎng)2 d時(shí),44.09 μmol/L的CGA能促進(jìn)成骨細(xì)胞MC3T3-E1ALP活性的表達(dá)(P<0.01).培養(yǎng)4 d時(shí),CGA對(duì)成骨細(xì)胞MC3T3-E1ALP活性無顯著影響(P>0.05).隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加,培養(yǎng)至6d時(shí),22.05、44.09 μmol/L CGA對(duì)成骨細(xì)胞ALP活性的影響具有抑制作用(P<0.05).
1)control;2)22.05 μmol/L CGA;3)44.09 μmol/L CGA
CGA對(duì)c-fos基因mRNA表達(dá)的影響見圖3.由圖3可見,培養(yǎng)2d時(shí),2種濃度的CGA對(duì)c-fos基因的表達(dá)均有極顯著促進(jìn)作用(P<0.01);4d時(shí),44.09 μmol/L CGA對(duì)c-fos基因表達(dá)的影響逐漸由促進(jìn)轉(zhuǎn)為抑制(P<0.05);6d時(shí),22.05 μmol/L CGA對(duì)c-fos基因表達(dá)明顯抑制(P<0.01),呈時(shí)間依賴性.
1)control;2)22.05 μmol/L CGA;3)44.09 μmol/L CGA
CGA對(duì)c-jun基因表達(dá)的影響見圖4.由圖4可見,22.05 μmol/L CGA短期處理(2~4 d)不影響c-jun基因表達(dá)(P>0.05),長(zhǎng)期處理(6 d)則表現(xiàn)為抑制作用(P<0.05).44.09 μmol/L CGA處理2 d可顯著促進(jìn)c-jun基因表達(dá)(P<0.01),長(zhǎng)期處理(4~6 d)則具有顯著的抑制作用(P<0.01).故CGA對(duì)成骨細(xì)胞c-jun基因表達(dá)亦呈明顯的時(shí)間依賴性.
1)control;2)22.05 μmol/L CGA;3)44.09 μmol/L CGA 與對(duì)照組比較,*P<0.05,**P<0.01,n=3
CGA對(duì)Runx2基因表達(dá)的影響見圖5.由圖5可見,其影響呈明顯的時(shí)間依賴性.22.05 μmol/L CGA培養(yǎng)2~4d時(shí),對(duì)Runx2 基因的表達(dá)呈上調(diào)作用(P<0.01),至6 d時(shí),則表現(xiàn)為強(qiáng)烈的抑制作用(P<0.01).44.09 μmol/L的CGA在短期處理(2d)時(shí),顯著促進(jìn)Runx2 基因的表達(dá)(P<0.01),但是隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),促進(jìn)作用變成抑制(P<0.01)或沒有顯著影響(P>0.01).
1)control;2)22.05 μmol/L CGA;3)44.09 μmol/L CGA
如圖6所示,CGA對(duì)osterix基因表達(dá)的影響也具有明顯的時(shí)間依賴性.兩種濃度的CGA短期處理(2 d)時(shí),均極顯著地促進(jìn)Osterix基因的表達(dá)(P<0.01).隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加(4~6 d),兩種濃度的CGA處理對(duì)成骨細(xì)胞osterix表達(dá)的促進(jìn)作用顯著減弱,直至抑制作用(P<0.01).
1)control;2)22.05 μmol/L CGA;3)44.09 μmol/L CGA
如圖7顯示,與CGA對(duì)ALP基因表達(dá)的影響與osterix基因類似,也具有明顯的時(shí)間依賴性.培養(yǎng)2 d,2種濃度的CGA均促進(jìn)ALP基因的表達(dá)(P<0.05); 4~6 d時(shí),2種濃度的CGA對(duì)ALP基因的表達(dá)均具有不同程度的抑制(P<0.05).
1)control;2)22.05 μmol/L CGA;3)44.09 μmol/L CGA
圖8中CGA對(duì)Col-I基因表達(dá)的影響也呈明顯的時(shí)間依賴性.但與CGA對(duì)Osterix和ALP基因表達(dá)的影響相反,隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),CGA對(duì)Col-I基因表達(dá)的促進(jìn)作用增強(qiáng).在2~6 d,22.05 μmol/L CGA對(duì)Col-I基因表達(dá)的影響由抑制轉(zhuǎn)為促進(jìn)(P<0.01);而44.09 μmol/L的CGA對(duì)Col-I基因表達(dá)的影響始終具有促進(jìn)作用(P<0.05),隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加,促進(jìn)作用愈發(fā)顯著(P<0.01).
1)control;2)22.05 μmol/L CGA;3)44.09 μmol/L CGA
MC3T3-E1細(xì)胞系是由C57BL/6小鼠顱骨細(xì)胞建株的成骨細(xì)胞,具有堿性磷酸酶活性,I型膠原合成和基質(zhì)鈣化等成骨細(xì)胞的生物學(xué)特性,常作為骨代謝研究的細(xì)胞模型[10].故本研究以MC3T3-E1細(xì)胞系來探討CGA對(duì)成骨細(xì)胞增殖及活性的影響.
本實(shí)驗(yàn)中,11.02~ 88.19 μmol/L的CGA在不同的時(shí)間點(diǎn)對(duì)成骨細(xì)胞的增殖均具有一定的促進(jìn)作用,以22.05,44.09 μmol/L的CGA在2個(gè)濃度的CGA進(jìn)行進(jìn)一步研究.
ALP的表達(dá)是成骨細(xì)胞分化早期的主要特征之一,是成熟成骨細(xì)胞的標(biāo)志,其活性的高低可反映成骨細(xì)胞的活性狀況[11].故本文研究了CGA對(duì)ALP活性的影響.在2~6 d,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),22.05 μmol/L CGA對(duì)ALP活性的影響由不影響變?yōu)橐种疲?4.09 μmol/L CGA對(duì)成骨細(xì)胞ALP活性的影響則由促進(jìn)變?yōu)橐种?,并與隨后的CGA對(duì)ALP基因表達(dá)的影響結(jié)果一致.說明CGA對(duì)成骨細(xì)胞ALP活性的調(diào)控主要通過對(duì)其mRNA轉(zhuǎn)錄的調(diào)控來實(shí)現(xiàn).
Runx2是干細(xì)胞向成骨細(xì)胞早期分化的重要標(biāo)志基因,高表達(dá)Runx2可激活骨鈣蛋白、骨橋蛋白和骨涎蛋白的轉(zhuǎn)錄和表達(dá),從而促進(jìn)成骨細(xì)胞成熟[12].Osterix是一種成骨細(xì)胞特異性表達(dá)的鋅指結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄因子,對(duì)成骨細(xì)胞的分化起著重要作用.Osterix轉(zhuǎn)錄受Runx2正性調(diào)控,直接促進(jìn)前成骨細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化.Osterix能調(diào)控許多重要成骨細(xì)胞晚期表型和功能蛋白的表達(dá),如骨鈣蛋白、骨橋蛋白、骨涎蛋白及I型膠原[13].在本研究中,CGA對(duì)Runx2和Osterix基因的表達(dá)具有顯著的時(shí)間依賴性,短期處理可以促進(jìn)Runx2和OsterixmRNA的表達(dá),隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),則表現(xiàn)為抑制作用.這一結(jié)果說明CGA短期處理可能促進(jìn)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化,而長(zhǎng)期處理則不利于干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化.
十分有意義的是,CGA可以促進(jìn)成骨細(xì)胞Col-I的表達(dá).I型膠原蛋白是成骨細(xì)胞分泌的骨主要有機(jī)成分,是成骨細(xì)胞的分化標(biāo)志之一[14].本實(shí)驗(yàn)中,除了短期培養(yǎng)(2 d)時(shí),低濃度(22.05μmol/L)的CGA對(duì)Col-I基因的表達(dá)具有一定抑制作用(P<0.05),4~6 d,CGA均能顯著促進(jìn)Col-I基因的表達(dá),并呈時(shí)間依賴性.說明合適濃度的CGA對(duì)成骨細(xì)胞成熟具有正向調(diào)控作用,有助于骨基質(zhì)的形成和骨生長(zhǎng).
原癌基因c-fos產(chǎn)物與其他一些轉(zhuǎn)錄因子如c-jun表達(dá)的癌蛋白結(jié)合,形成活性蛋白-1(AP-1),進(jìn)而調(diào)控其他基因的轉(zhuǎn)錄,導(dǎo)致一系列生物學(xué)效應(yīng)的產(chǎn)生,進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞的分裂增殖[15].在成骨細(xì)胞中,c-jun調(diào)控相關(guān)基因如骨鈣素、I型膠原、堿性磷酸酶和組蛋白轉(zhuǎn)錄[16],故c-jun是調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞增殖分化的基因之一.本研究中,CGA對(duì)c-fos和c-jun表達(dá)影響具有一定的復(fù)雜性,尚需進(jìn)一步的研究闡明其機(jī)理.
綜上所述,CGA具有調(diào)控成骨細(xì)胞增殖和分化的能力,CGA可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖,抑制成骨細(xì)胞ALP活性;CGA長(zhǎng)期處理不利于干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化,它通過促進(jìn)I型膠原的表達(dá)而促進(jìn)骨成熟分化.故CGA具有一定的成骨活性,是接骨草的成骨活性成分之一.
[1]蔡凌云.接骨草黃酮成分的初步研究[J].凱里學(xué)院學(xué)報(bào),2010,28(6):62-65.
[2]張金昕.杜仲和續(xù)斷在骨傷科中的應(yīng)用[J].陜西中醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào),2009,32(1):74-75.
[3]錢維娜,張艷紅.杜仲對(duì)體外培養(yǎng)大鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞增殖和分化的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(14):6461-6462.
[4]李勝華,李愛民,伍賢進(jìn).接骨草化學(xué)成分研究 [J].中草藥,2011,42( 8):1502-1504.
[5]尉 芹,馬希漢,景謙平.杜仲葉中綠原酸的提取工藝件研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與產(chǎn)業(yè),2001,21(4):27-32.
[6] Hai-Tao Lu.Application of preparative high-speed counter-counter chromatography for separation of chlorogenic acid from Flos Loncease [ J ].J Chromatogr A,2004,1026(1/2):185-190.
[7] 史秀玲,高銀輝.綠原酸對(duì)小鼠急性肝損傷的保護(hù)作用[J].中國實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志,2011,17(19):199-202.
[8] 王麗萍,郭 棟,王 果,等.中藥綠原酸的研究進(jìn)展[J].時(shí)珍國醫(yī)國藥,2011,22(4):961-963.
[9] Livak K J,Schmittgen T D.Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2-ΔΔTmethod[J].Methods,2001,25(4):402-408.
[10]Sudo H,Kodama H,Amagai Y,et al.In vitro differentiation and calcification in a new clone osteogenic cell line derived from newborn mouse calvaria [J].J Cell Biol,1983,96(1):191-198.
[11] Effenberger K E ,Johnsen S A ,Monroe D G,et al.Regulation of osteoblastic phenotype and gene expression by hop-derived phytoestrogens[J].J Steroid Biochem Mol Biol ,2005,96(5):387-399.
[12] Ducy P,Starbuck M,Priemel M,et a1.A Cbfal-dependent genetic pathway controls bone formation beyond embryonic development [J].Genes Dev,1999,13(8):1025-1036.
[13] Ohyama Y,Nifuji A,Maeda Y,et al.Spacioternporal association and bone morphogenetic protein regulation of sclerostin and osterix expression during embryonic osteogenesis[J].Endocrinology,2004,145(10): 4685-4692.
[14] Raisz L G .Fall P M Gabbitas B Y ,et al .Effects of prostaglandinE2 on bone formation in cultured fetal rat calvariae: roleofinsulin-like growth factor-I[J].Endocrinology,1993,133(4):1504-1510.
[15] 郭 勇,張西正,趙云山,等.堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子對(duì)成骨細(xì)胞生長(zhǎng)與c-fos表達(dá)的影響[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2004,21(1):8-11.
[16] Palcy S,Bolivar I,Goltzman D.Role of activator protein 1 transcriptional activity in the regulation of gene expression by transforming growth factor beta1 and bone morphogenetic protein 2 in ROS17/2.8 osteoblast-like cells[J].J Bone Miner Res,2000,15(12): 2352-2361.