劉 洋, 杜 明, 張根義
(江南大學(xué) 食品學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214122)
復(fù)雜的自然界中經(jīng)常會(huì)有不同類型的真菌毒素共同存在,人們?cè)谏钪杏锌赡芡瑫r(shí)接觸2種甚至2種以上的毒素,不同毒素共存時(shí)對(duì)機(jī)體的聯(lián)合毒性作用引起了人們的廣泛研究。M.J.Ruiz研究了白僵菌素(BEA)、嘔吐毒素(DON)和 T-2毒素在CHO-K1細(xì)胞中的聯(lián)合作用,其中BEA和T-2毒素為協(xié)同作用,DON與BEA、T-2均顯示為拮抗作用[1];熊麗林求得微囊藻毒素和黃曲霉毒素及伏馬菌素的聯(lián)合作用類型為加和作用[2]。
黃曲霉毒素 B1(Aflatoxin B1,簡(jiǎn)稱 AFB1)是目前已知的毒性較強(qiáng)的真菌毒素,它可以導(dǎo)致誘發(fā)性肝癌的產(chǎn)生。有關(guān)黃曲霉毒素在不同劑量下單獨(dú)作用于多種細(xì)胞的急慢性毒性已有很多報(bào)道,但關(guān)于黃曲霉毒素與其它毒素的聯(lián)合作用的毒性研究較少。雜色曲霉素(Sterigmatocystin,簡(jiǎn)稱ST)由10多種真菌代謝產(chǎn)生,是一種含有呋喃環(huán)的氧雜蒽酮類化合物,已知被ST污染的食品包括大米、小麥、玉米、花生、大豆、火腿、奶酪、咖啡等,而黃曲霉毒素AFB1也廣泛存在于各種谷物和飼料中,它們共存的可能性非常高。為此選取了黃曲霉毒素B1和雜色曲霉素進(jìn)行聯(lián)合毒性的研究。AFB1的主要靶器官是肝臟,同時(shí)ST在肝內(nèi)會(huì)轉(zhuǎn)化成1,2-環(huán)氧ST,該物質(zhì)會(huì)與DNA形成加合物,這極有可能是ST導(dǎo)致肝癌發(fā)生的機(jī)制[3],因此肝臟是 AFB1和 ST共同的主要靶器官。
HepG2細(xì)胞來(lái)源于人肝胚細(xì)胞瘤,分化程度較高[4],并且其所含的生物轉(zhuǎn)化代謝酶與人正常肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞具有同源性,其中肝細(xì)胞色素P450是主要參與體內(nèi)藥物代謝的酶系[5],對(duì)許多內(nèi)源性、外源性化合物在體內(nèi)Ⅰ相生物轉(zhuǎn)化有重要作用,許多藥物通過(guò)P450酶的調(diào)控作用來(lái)影響其活性,因而選擇HepG2細(xì)胞為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,來(lái)研究AFB1和ST的聯(lián)合毒性作用。
HepG2人肝癌細(xì)胞,中國(guó)科學(xué)院細(xì)胞庫(kù)提供;DMEM高糖培養(yǎng)基、胎牛血清、胰酶、無(wú)酚紅HBSS,Gibco公司提供;雜色曲霉素標(biāo)準(zhǔn)品(ST)、黃曲霉B1標(biāo) 準(zhǔn) 品 (AFB1)、SRB、TCA、H33258、Tris base、小 牛胸腺 DNA、DCFH-DA、DCF、羅丹明 123,Sigma公司提供;ATP檢測(cè)試劑盒,碧云天生物技術(shù)公司提供;Infinite 1000酶標(biāo)儀,Tecan公司產(chǎn)品。
HepG2細(xì)胞用內(nèi)含體積分?jǐn)?shù)10%胎牛血清、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%青霉素-鏈霉素的DMEM高糖培養(yǎng)基,于37℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%CO2培養(yǎng)箱中培育至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期[6]。用DMSO溶解AFB1、ST制成母液,再用DMEM培養(yǎng)基稀釋1 000倍至DMSO終質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的儲(chǔ)備液。用含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%DMSO溶液的DMEM培養(yǎng)基將儲(chǔ)備液配制為所需濃度的工作液。
1.3.1 SRB法測(cè)定AFB1、ST對(duì)HepG2細(xì)胞的半數(shù)抑制濃度 調(diào)整對(duì)數(shù)期細(xì)胞密度為3×104個(gè)/mL,每孔200 μL接種于96孔板中孵育24 h后,棄去培養(yǎng)液,加入含AFB1或者ST的培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)48 h。每孔加入4℃預(yù)冷的三氯乙酸(TCA)溶液,4℃固定1 h,去離子水洗4~5次,風(fēng)干后每孔加入4 g/L SRB溶液,室溫下孵育30 min,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%乙酸洗4~5次,風(fēng)干后每孔加入10 mmol/L的Tris-HCl緩沖液(pH 7.4),搖動(dòng)混勻,震蕩5 min后在490 nm下測(cè)定吸光度A(下標(biāo)g、k、d分別表示給藥組、空白組、對(duì)照組)。計(jì)算不同時(shí)間、不同濃度的真菌毒素對(duì)HepG2細(xì)胞的增殖抑制率。增殖抑制率
Y=[1-(Ag-Ak)/(Ad-Ak)]×100%。
其中 AFB1染毒濃度為 0 (溶劑對(duì)照)、1、5、10、50、100 μmol/L,ST 染毒濃度為 0(溶劑對(duì)照)、0.1、1、5、10、14 μmol/L,溶劑對(duì)照組為含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%DMSO的DMEM培養(yǎng)基,每個(gè)實(shí)驗(yàn)組4個(gè)重復(fù)。
1.3.2 AFB1和ST對(duì)HepG2細(xì)胞各部位損傷的檢測(cè) 設(shè)置染毒劑量時(shí)使大部分細(xì)胞處于染毒未致死的狀態(tài),其中AFB1染毒濃度為0(溶劑對(duì)照)、0.5、1、5、10 μmol/L;ST 染毒濃度為 0 (溶劑對(duì)照)、0.5、2.5、5、7 μmol/L;聯(lián)合染毒組設(shè)置為 0(溶劑對(duì)照),AFB1(10 μmol/L)+ST(濃度設(shè)置與單獨(dú)染毒組相同),ST(5 μmol/L)+AFB1(濃度設(shè)置與單獨(dú)染毒組相同);對(duì)照組為含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%DMSO的DMEM培養(yǎng)基,每個(gè)實(shí)驗(yàn)組4個(gè)重復(fù)[2]。
1)SRB法測(cè)定細(xì)胞增殖力的變化:操作步驟同1.3.1。
2)細(xì)胞內(nèi)總DNA含量的測(cè)定:調(diào)整對(duì)數(shù)期細(xì)胞密度為 5×104個(gè)/mL,每孔 200 μL接種于 96孔板中孵育24 h后,棄去培養(yǎng)液,加入含AFB1或者ST的培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)24、48 h。染毒24 h或48 h后,棄培養(yǎng)基,37℃預(yù)熱的HBSS洗一遍,將96孔板置于-80℃的冰箱中冷凍1 h,然后置于37℃水浴鍋中加熱30 min,在所有樣品孔、對(duì)照孔和空白孔中加入100 μL去離子水,再放入-80℃冰箱中冷凍1 h,37 ℃加熱 30 min后,每孔加入 100 μL 5 mg/mL的H33258染料,同時(shí)繪制小牛胸腺DNA標(biāo)準(zhǔn)曲線。室溫下避光靜置30 min后用熒光酶標(biāo)儀測(cè)各孔的熒光值[7]。
3)細(xì)胞內(nèi)ATP含量的測(cè)定:調(diào)整對(duì)數(shù)期細(xì)胞密度為5×104個(gè)/mL,每孔200 μL接種于96孔板中孵育24 h后,棄去培養(yǎng)液,加入含AFB1或者ST的培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)24、48 h。染毒24 h或48 h后,棄培養(yǎng)基,每孔加入20 μL ATP裂解液(冰上操作),反復(fù)吹打使細(xì)胞完全裂解,每孔加180 μL PBS將裂解液洗出,12 000 g離心10 min后,取100 μL上清液,加入預(yù)先加有100 μL ATP檢測(cè)工作液的底部透明板中,迅速混勻后,立即用化學(xué)發(fā)光酶標(biāo)儀檢測(cè)熒光值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出加藥組細(xì)胞內(nèi)ATP濃度。
4)細(xì)胞內(nèi)線粒體通透性的轉(zhuǎn)換:調(diào)整對(duì)數(shù)期細(xì)胞密度為 5×104個(gè)/mL,每孔 200 μL接種于 96孔板中孵育24 h,棄培養(yǎng)基,每孔加入5 μg/mL羅丹明123工作液,質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%CO237℃孵育30 min后,1 000 r/min離心10 min,用培養(yǎng)基洗一遍,相同條件離心后加入含AFB1或者ST的培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)24、48 h,使用熒光酶標(biāo)儀測(cè)定熒光值,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出加藥組細(xì)胞內(nèi)檢測(cè)到的羅丹明123含量,判斷細(xì)胞內(nèi)線粒體通透性的改變。
5)細(xì)胞內(nèi)活性氧含量的測(cè)定:調(diào)整對(duì)數(shù)期細(xì)胞密度為5×104個(gè)/mL,每孔200 μL接種于96孔板中孵育24 h后,棄去培養(yǎng)液,37℃預(yù)熱的PBS洗一遍后,加入37℃預(yù)熱的DCFH-DA探針(終濃度為10 μmol/L,溶解于DMEM中),37℃避光孵育30 min后,1 000 r/min離心10 min,將探針吸除,加入DMEM清洗探針,再1 000 r/min離心10 min,吸除DMEM后將各孔換為含AFB1或者ST的培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)24、48 h,采用熒光酶標(biāo)儀檢測(cè)二氯熒光黃(DCF)的熒光強(qiáng)度[8]。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均以x±s進(jìn)行表示,使用SPSS20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用origin18.1軟件繪圖。用Probit analysis算出各毒素的IC50[9]。ST與AFB1混合物對(duì)HepG2聯(lián)合毒性作用類型采用成對(duì)樣本T檢驗(yàn)“預(yù)測(cè)值”和“測(cè)量值”之間的顯著性差異,若P>0.05,表示兩組數(shù)據(jù)無(wú)顯著性差異,反映AFB1與ST的聯(lián)合毒性為加和作用[10]。其中,“預(yù)測(cè)值”為AFB1或ST的固定濃度產(chǎn)生的效應(yīng)值與另一種毒素的各濃度梯度單獨(dú)作用于細(xì)胞分別產(chǎn)生的效應(yīng)值的相加值;“測(cè)量值”為兩種毒素以不同濃度混合后實(shí)際測(cè)得毒素對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生的效應(yīng)值。5個(gè)毒性作用終點(diǎn)采用主成分分析法(PCA)進(jìn)行聚類分析。
AFB1和ST對(duì)HepG2細(xì)胞增殖力的抑制率呈現(xiàn)劑量相關(guān)性,根據(jù)實(shí)驗(yàn)中染毒濃度對(duì)應(yīng)的細(xì)胞增殖力抑制率,使用SPSS進(jìn)行Probit analysis分析,概率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的濃度即為該毒素對(duì)HepG2細(xì)胞的半數(shù)抑制濃度(IC50)。兩種毒素對(duì)HepG2細(xì)胞的IC50如表1所示。從表1可看出,ST的 IC50要比AFB1的IC50低50%,說(shuō)明ST對(duì)HepG2細(xì)胞的毒性高于AFB1的毒性。
AFB1、ST對(duì)細(xì)胞的毒性作用在24 h時(shí)并沒(méi)有明顯的趨勢(shì),48 h時(shí)細(xì)胞增殖力的降低程度基本呈現(xiàn)毒素劑量相關(guān)性。如圖1所示,細(xì)胞染毒48 h后,與對(duì)照組(100%)相比,單獨(dú)作用時(shí)AFB1濃度在0.5~10 μmol/L時(shí),細(xì)胞增殖力抑制率為 6.28%~43.59%, 呈指數(shù)型下降;ST濃度在 0.5~7 μmol/L時(shí),細(xì)胞增殖力抑制率為24.32%~49.5%,呈線性下降;聯(lián)合作用時(shí),ST+AFB1(10 μmol/L)混合組中,ST濃度為0.5 μmol/L時(shí)的抑制率為45.39%,同單獨(dú)作用時(shí)ST的最大濃度即7 μmol/L的抑制率基本一致。并且從圖1(b)可以看出,AFB1+ST混合組的抑制率均高于單獨(dú)作用組,其中 ST(5 μmol/L)+AFB1混合組的細(xì)胞增殖力呈指數(shù)型下降,ST+AFB1(10 μmol/L)混合組的增殖力呈線性下降,可以看出兩種毒素混合后并不會(huì)影響毒素自身對(duì)細(xì)胞增殖力抑制作用的變化規(guī)律。
表 1 AFB1、ST 對(duì) HepG2的 IC50Table 1 IC50determinations of AFB1and ST in HepG2 by probit analysis
圖1 AFB1和ST對(duì)HepG2細(xì)胞的細(xì)胞增殖力的影響(48 h)Fig.1 Inhibition rate of AFB1and ST in HepG2(48 h)
細(xì)胞在96孔板中經(jīng)過(guò)兩次凍融循環(huán)被破壞并釋放DNA,而H33258與雙鏈DNA結(jié)合時(shí)由非熒光物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高熒光物質(zhì),反映了細(xì)胞中總DNA的含量。AFB1、ST對(duì)細(xì)胞DNA含量的影響在24 h時(shí)并不明顯,48 h時(shí)DNA含量的降低程度基本呈現(xiàn)毒素劑量相關(guān)性。如圖2所示,細(xì)胞染毒48 h后,與對(duì)照組 (100%)相比,單獨(dú)作用時(shí)AFB1濃度在0.5~10 μmol/L 時(shí),DNA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)(相對(duì)質(zhì)量)下降為110.55%~55.21%,呈對(duì)數(shù)型下降;ST濃度在0.5~7 μmol/L時(shí),DNA質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降為 116.27%~76.89%,下降趨勢(shì)可用乘冪回歸表示;實(shí)驗(yàn)結(jié)果中細(xì)胞DNA含量在低劑量組中出現(xiàn)了高于對(duì)照組DNA含量的現(xiàn)象,可能由于低劑量的毒素未對(duì)細(xì)胞造成損傷,反而引起細(xì)胞內(nèi)的抵抗反應(yīng),合成了較多的DNA,從而高出對(duì)照組的含量。聯(lián)合作用時(shí),ST(5 μmol/L)+AFB1混合組中,AFB1濃度為 0.5 μmol/L時(shí)的DNA質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降為54.72%,同單獨(dú)作用時(shí)AFB1的最大濃度即10 μmol/L時(shí)的DNA含量基本一致。
圖2 AFB1和ST對(duì)HepG2細(xì)胞內(nèi)DNA含量的影響(48 h)Fig.2 Effect of AFB1and ST on DNA content in HepG2 cells(48 h)
從圖2(b)可以看出,AFB1+ST混合組的DNA減少量均高于單獨(dú)組,其中 ST(5 μmol/L)+AFB1混合組的細(xì)胞增殖力呈對(duì)數(shù)型下降,ST+AFB1(10 μmol/L)混合組的增殖力的下降趨勢(shì)可用乘冪回歸表示,可以看出毒素在單獨(dú)作用和聯(lián)合作用時(shí),并不會(huì)因?yàn)榱硗庖环N毒素的混合而影響其本身對(duì)細(xì)胞的毒性作用。
細(xì)胞ATP水平在24 h時(shí)已基本呈現(xiàn)毒素劑量相關(guān)性,48 h時(shí)ATP含量的降低程度更加明顯。如圖3所示,細(xì)胞染毒24 h后,與對(duì)照組(100%)相比,AFB1濃度在 0.5~10 μmol/L 時(shí),單獨(dú)作用及聯(lián)合作用時(shí)ATP含量呈線性下降;而ST單獨(dú)作用濃度在 0.5~7 μmol/L時(shí),ATP摩爾分?jǐn)?shù)(相對(duì)物質(zhì)的量)下降為42.30%~22.21%,為乘冪型下降,與AFB1聯(lián)合作用后同樣呈乘冪型下降。ATP是5個(gè)毒性作用終點(diǎn)中最早對(duì)毒素產(chǎn)生顯著反應(yīng)的指標(biāo),較早的反應(yīng)細(xì)胞的染毒狀態(tài)可以作為細(xì)胞染毒的早期檢測(cè)指標(biāo)。
圖3 AFB1和ST對(duì)HepG2細(xì)胞內(nèi)ATP含量的影響(24 h)Fig.3 Effect of AFB1and ST on ATP content in HepG2 cells(24 h)
羅丹明123在正常細(xì)胞中能夠依賴線粒體跨膜電位進(jìn)入線粒體基質(zhì),熒光強(qiáng)度減弱或消失。而在凋亡發(fā)生時(shí),線粒體膜完整性破壞,線粒體膜通透性轉(zhuǎn)運(yùn)孔開(kāi)放,引起線粒體跨膜電位(ΔΨm)的崩潰,羅丹明123重新釋放出線粒體,發(fā)出強(qiáng)黃綠色熒光。通過(guò)熒光信號(hào)的強(qiáng)弱,檢測(cè)線粒體膜電位的變化和凋亡的發(fā)生。如圖4所示,細(xì)胞染毒48 h后,隨著AFB1和ST濃度的增加,細(xì)胞內(nèi)羅丹明123的含量有上升的趨勢(shì),但上升的程度并不明顯,但從圖4(b)可看出,AFB1和ST混合組中羅丹明123的含量增長(zhǎng)率均明顯高于單獨(dú)作用組。
圖4 AFB1和ST對(duì)HepG2細(xì)胞內(nèi)線粒體膜通透性的影響(48 h)Fig.4 Effect of AFB1and ST on mitochondrial membrane permeability in HepG2 cells(48 h)
細(xì)胞中二氯熒光黃(DCF)的熒光強(qiáng)度反映細(xì)胞中活性氧的含量。染毒24 h后細(xì)胞中活性氧的產(chǎn)生并不明顯,48 h時(shí)細(xì)胞活性氧含量的增加基本呈現(xiàn)毒素劑量相關(guān)性,如圖5所示。
圖5 AFB1和ST對(duì)HepG2細(xì)胞內(nèi)活性氧含量的影響(48 h)Fig.5 Effect of AFB1and ST on reactive oxygen in HepG2 cells(48 h)
細(xì)胞染毒48 h后,與對(duì)照組(100%)相比,單獨(dú)作用時(shí)AFB1濃度在0.5~10 μmol/L時(shí),活性氧摩爾分?jǐn)?shù)(相對(duì)物質(zhì)的量)上升為99.50%~115.29%;ST濃度在0.5~7 μmol/L時(shí),活性氧摩爾分?jǐn)?shù)上升為106.28%~116.27%; 聯(lián)合作用時(shí),ST (5 μmol/L)+AFB1混合組中,AFB1濃度為1 μmol/L時(shí)的ROS的摩爾分?jǐn)?shù)值為102%,同單獨(dú)作用時(shí)AFB1濃度為5 μmol/L的ROS含量基本一致。通過(guò)擬合,AFB1和ST在單獨(dú)作用和聯(lián)合作用時(shí)均呈指數(shù)型下降,并且從圖5(b)可以看出,AFB1+ST混合組的活性氧增加量均大于單獨(dú)作用組,可以得出兩種毒素混合后對(duì)HepG2細(xì)胞的毒性作用有所增強(qiáng)。
5個(gè)毒性作用終點(diǎn)的測(cè)量值與預(yù)測(cè)值的顯著性分析如表2所示,細(xì)胞增殖力、ATP含量、DNA含量、ROS含量及線粒體膜電位的測(cè)量值與預(yù)測(cè)值之間均無(wú)顯著性差異,表明AFB1和ST對(duì)HepG2的聯(lián)合毒性表現(xiàn)為加和作用。
表2 成對(duì)樣本T檢驗(yàn)分析混合物的測(cè)量值及預(yù)測(cè)值差異性Table 2 Principal component analysis of five endpoints
AFB1及ST對(duì)HepG2細(xì)胞48 h毒性作用的PCA分析如表3所示。
根據(jù)各個(gè)作用終點(diǎn)在2個(gè)成分中的系數(shù),AFB1和ST對(duì)HepG2細(xì)胞的單獨(dú)作用及聯(lián)合作用終點(diǎn)均可分為3類:細(xì)胞增殖力;ATP含量、DNA含量;活性氧含量(ROS)和線粒體膜通透性(MMP)。根據(jù)主成分分析分類結(jié)果,ROS的產(chǎn)生與線粒體膜通透性的下降反映了兩種毒素對(duì)細(xì)胞的同一損傷效應(yīng)。因線粒體受損后產(chǎn)生活性氧,進(jìn)一步對(duì)線粒體氧化損傷,故深入研究時(shí),可根據(jù)分類結(jié)果選取每類中的一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行毒素對(duì)細(xì)胞的毒性作用檢測(cè)。
表3 AFB1及ST對(duì)HepG2毒性5個(gè)作用終點(diǎn)的主成分分析Table 3 Principal component analysis of five endpoints
首次得出雜色曲霉素ST在HepG2細(xì)胞中的IC50值;并且以HepG2細(xì)胞為對(duì)象,以5個(gè)毒性作用終點(diǎn)為依據(jù),研究了AFB1和ST兩種真菌毒素的聯(lián)合作用類型,經(jīng)分析推斷其聯(lián)合毒性作用類型為加和作用。本實(shí)驗(yàn)中5個(gè)毒性終點(diǎn)從不同方面檢驗(yàn)了AFB1和ST對(duì)HepG2細(xì)胞的毒性。有研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞受到毒素刺激后,細(xì)胞內(nèi)線粒體膜電位的下降會(huì)伴隨著ATP水平的下降,同時(shí)線粒體是活性氧產(chǎn)生的主要場(chǎng)所,又是活性氧作用最敏感的部位,活性氧會(huì)對(duì)線粒體造成氧化損傷,進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[11]。5個(gè)毒性作用終點(diǎn)的主成分分析得知,單獨(dú)作用及聯(lián)合作用均具有共同的主成分,推測(cè)可能由于黃曲霉毒素B1與雜色曲霉素對(duì)HepG2細(xì)胞的毒性作用位點(diǎn)基本一致,并且具有相似的信號(hào)代謝通路,使其聯(lián)合作用的類型為加和作用。
此次研究雖然僅從細(xì)胞水平對(duì)2種毒素的聯(lián)合作用類型進(jìn)行判斷,但采用的多指標(biāo)驗(yàn)證方法為多種真菌毒素聯(lián)合作用的深入研究提供了參考。對(duì)于食品中真菌毒素的最大允許量,國(guó)家有明確的規(guī)定[12],但規(guī)定中沒(méi)有提及兩種以上的真菌毒素共同存在時(shí)的限量標(biāo)準(zhǔn),所以當(dāng)兩種以上毒素共存時(shí),其含量分別符合限量標(biāo)準(zhǔn),但如果其聯(lián)合加和或協(xié)同作用,則會(huì)對(duì)人體造成更大傷害。因此,通過(guò)研究食品中常見(jiàn)的真菌毒素共存時(shí)的聯(lián)合作用,可為食品安全提供更準(zhǔn)確的理論依據(jù)。
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