金鑫 朱立國 李秀蘭 賈建 張揚(yáng) 孫曉雷 馬劍雄 李風(fēng)波 馬信龍*
1. 天津市天津醫(yī)院骨科研究所,天津 300211 2. 中國中醫(yī)科學(xué)院,北京 100102
褐藻多糖硫酸酯是一類從海帶中提取的天然硫酸化多糖,其主要成分為褐藻糖、硫酸根以及少量糖醛酸、半乳糖和木糖。國內(nèi)外大量研究表明,褐藻糖膠具有多種生物活性,如抗腫瘤、抗病毒、抗凝血、抗氧化等[1]。骨重建是成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞共同參與的過程,骨形成與骨吸收的失衡是導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥和骨硬化癥等疾病的重要病因。成骨細(xì)胞參與骨形成,破骨細(xì)胞參與骨吸收。因此,破骨細(xì)胞的凋亡直接影響骨吸收,從而影響骨重建過程。大量研究證實(shí)柚皮苷可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的增值、分化成熟;提高骨密度、提升骨骼力學(xué)性能,防治去勢(shì)大鼠骨質(zhì)疏松[2-4]。但褐藻糖膠對(duì)破骨細(xì)胞凋亡的影響尚未見報(bào)道,本實(shí)驗(yàn)通過在體外LMWF對(duì)RANKL誘導(dǎo)的成熟破骨細(xì)胞的作用,觀察LMWF對(duì)破骨細(xì)胞凋亡的影響以及其機(jī)制,為L(zhǎng)MWF抗骨質(zhì)疏松在破骨細(xì)胞方面提供理論支持。
小鼠單核細(xì)胞RAW264.7細(xì)胞株(中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)細(xì)胞中心);褐藻糖膠,(Sigma公司);牛皮質(zhì)骨(自制);小鼠重組可溶性核因子кB受體活化因子配體(sRANKL)(Peprotech公司);capsase-3活性測(cè)試試劑盒(南京碧波公司);抗酒石酸酸性磷酸酶染色試劑盒(Sigma公司);高糖DMEM培養(yǎng)基、10%胎牛血清(Gibco公司);胰蛋白酶、乙二胺四乙酸二鈉(Sigma 公司);磷酸鹽緩沖液(PBS)、D-hank’s液(自制);All-in-OneTM qPCR Mix、All-in-OneTM qPCR Primer (美國 GeneCopoeia公司)。
掃描電子顯微鏡;細(xì)胞培養(yǎng)皿(Corning 公司);倒置相差顯微鏡、CX-21 光學(xué)顯微鏡(日本Olympus 公司);5%CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱(Heraeus 公司);流式細(xì)胞儀及相關(guān)分析軟件(BD公司);iQ5 Real Time PCR檢測(cè)洗脫(Bio-Rad)。
1.3.1薄骨片制備:粗切獲取牛股骨的皮質(zhì)骨,沿著股骨的長(zhǎng)軸方向切取厚約100 μm的皮質(zhì)骨骨片,細(xì)砂紙將骨片打磨平滑,修剪成0.5 cm×0.5 cm大小的正方形,紫外線消毒正反面過夜, 75%乙醇浸泡30 min,無菌D-hank’s液清洗3遍,放置于培養(yǎng)基中,置于4 ℃?zhèn)溆?,用時(shí)取出晾干。
1.3.2破骨細(xì)胞誘導(dǎo)與鑒定:(1)誘導(dǎo):將RAW264.7單核細(xì)胞株接種于6孔板上的預(yù)置無菌玻片和薄骨片上,細(xì)胞接種密度2×104/mL,4 h后待細(xì)胞貼壁,換為濃度為100 ng/mL RANKL的10%FBS高糖DMEM培養(yǎng)基,37℃、5%CO2的培養(yǎng)箱中培養(yǎng),每?jī)商鞊Q液1次。(2)鑒定:誘導(dǎo)5 d后,①倒置相差顯微鏡觀察細(xì)胞的形態(tài)特征;②TRAP染色:將玻片取出,用檸檬酸鹽/丙酮溶液固定30 s,在以萘酚AS-BI磷酸鹽作為底物的孵育液中37 ℃孵育1 h,蒸餾水洗3次,蘇木精復(fù)染2 min,干燥后二甲苯透明,封固后光鏡觀察抗酒石酸酸性磷酸酶陽性多核破骨細(xì)胞(≥3個(gè)核)。③骨吸收陷窩:先用胰蛋白酶和EDTA將薄骨片上的破骨細(xì)胞消化,2.5%的戊二醛固定30 min,PBS超聲清洗3次,每次5 min,30%、50%、60%、70%、80%、90%、100%乙醇梯度脫水,醋酸異戊酯置換乙醇,CO2臨界點(diǎn)干燥,噴金后掃描電鏡觀察骨吸收陷窩。
1.3.3TRAP陽性細(xì)胞計(jì)數(shù)與骨吸收面積分析:實(shí)驗(yàn)分為空白組和低分子量褐藻糖膠組,按照上述的方法誘導(dǎo)5 d后,LMWF組采用含有5 ng/mL LMWF培養(yǎng)基進(jìn)行誘導(dǎo)3 d后取出玻片,進(jìn)行TRAP染色(方法同上)。計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn):①兩組分別在100倍視野下隨機(jī)選取10個(gè)視野進(jìn)行計(jì)數(shù),取平均值;②細(xì)胞呈現(xiàn)玫瑰紅色或粉紅色,細(xì)胞核≥3個(gè),上述實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。骨吸收陷窩操作方法同上,兩組各10張薄骨片,每張骨片隨機(jī)選取10個(gè)區(qū)域,區(qū)域之間無重疊,采用Image Pro Plus 6.0圖像分析軟件對(duì)骨吸收面積進(jìn)行分析。
1.3.4吖啶橙染色:RAW264.7細(xì)胞株以2104/mL密度爬片,100 ng/mL RANKL誘導(dǎo)5 d后,換為含有5 ng/mL LMWF的培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)48 h,取出蓋玻片,4%多聚甲醛固定5 min,醋酸酸化30 s,PBS清洗1 min;加入0.01%吖啶橙染液5 min,PBS清洗,用0.1 mol/LCaCl2分色2 min, PBS 緩沖液清洗3次(10 s/次)。以PBS 緩沖液做介質(zhì)封片, 用激發(fā)濾板BG-12, 阻斷濾片波長(zhǎng) 515 nm,在熒光顯微鏡下觀察。
1.3.5流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)細(xì)胞凋亡:細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)5 d后,換為含有LMWF的培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)2d后,胰酶消化,與培養(yǎng)液一起收集,離心5 min(1500 r/min)。培養(yǎng)液洗滌細(xì)胞1次,之后用PBS洗滌1次,以 1×106/mL密度重懸細(xì)胞于結(jié)合緩沖液。取100μL細(xì)胞加入2μL Annexin V-FITC和10 μL PI(propidium iodide)。設(shè)置以下3組用于調(diào)試流式細(xì)胞儀:①不加 Annexin VFITC 也不加 PI;②加 Annexin V-FITC不加 PI; ③加 PI 不加 Annexin V-FITC。輕輕混勻后室溫避光反應(yīng) 15 min后,補(bǔ)加 400μL 結(jié)合緩沖液,流式細(xì)胞儀檢測(cè)結(jié)果。
1.3.6caspase-3活性測(cè)定:細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)5 d后,換為含有LMWF的培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)3 d后,胰酶消化,離心(2000 r/min,5 min),吸除上清,PBS清洗1次。加入50 μL裂解液,重懸沉淀,冰浴裂解30 min,其間渦旋振蕩3次(10 s/次)。4℃離心(12000 r/m,10 min),小心吸取上清液(含裂解的蛋白質(zhì))轉(zhuǎn)移至新的管中,按照試驗(yàn)說明書的反應(yīng)體系進(jìn)行加樣。用酶標(biāo)儀在405 nm波長(zhǎng)處測(cè)定其吸光值(OD)。計(jì)算caspase-3的活性單位,飽和底物濃度下1個(gè)酶活力單位在37℃每小時(shí)可以剪切1 nmol/L Ac-DEVE-pNA 產(chǎn)生1 nmol/L pNA 的caspase-3的酶量。計(jì)算結(jié)果顯示為各組相對(duì)于對(duì)照組的相對(duì)量。
1.3.7熒光定量PCR檢測(cè)相關(guān)基因表達(dá):細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)5 d后,換為含有LMWF的培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)3 d,之后將兩組細(xì)胞采用胰酶消化,收集細(xì)胞,加1 mLTRIzol溶液,振蕩混勻。采用相分離技術(shù)抽提取RNA,瓊脂糖電泳法檢測(cè):BCL-2與BAX基因濃度及完整性。各組檢測(cè)基因反轉(zhuǎn)錄為 cDNA,以 GAPDH為內(nèi)參基因,引物由廣州復(fù)能基因有限公司設(shè)計(jì)?;蛞镄蛄校篏APDH 正向引物正向引物5’-CGGAGTCAACGGATTTGGTCGTAT-3’,反向引物5’-AGCCTTCTCCATGGTGGTGAAGAC-3’,擴(kuò)增片段為 96 bp; BCL-2正向引物5’-ACGGGGTGAACTGGGGGAGG-3‘反向引物5’-GCATGCTGGGGCCGTACAGT-3’,BAX正向引物5’-GATGGACGGGTCCGGAGA-3’反向引物5’-CTCAGCCCATCTTCTTCCAG-3’逆轉(zhuǎn)錄反應(yīng)體系、PCR 擴(kuò)增體系以及反應(yīng)條件按照試劑盒說明書設(shè)定。反應(yīng)完成后進(jìn)行擴(kuò)增曲線和熔解曲線分析?;虮磉_(dá)量以檢測(cè)基因的初始模板量以 2-△△Ct表示。
由圖1A,1B可見,RANKL誘導(dǎo)5 d后,加入含有LMWF的培養(yǎng)液(LMWF濃度5 ng/mL)繼續(xù)誘導(dǎo)培養(yǎng)3 d,進(jìn)行TRAP染色??瞻捉M成熟破骨細(xì)胞數(shù)量比較多于柚皮苷組,且細(xì)胞核較多;經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)比較,P<0.05,有差異。由圖1C、1D可見對(duì)照組骨吸收陷窩數(shù)目較多,骨吸收總面積較大;而LMWF組骨吸收數(shù)目少,總面積小,經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)比較,P<0.05,有差異。提示LMWF可以抑制破骨細(xì)胞的活性以及骨吸收功能,見表1。
吖啶橙可以非特異性的結(jié)合細(xì)胞核的核酸,在592 nm波長(zhǎng)激發(fā)光下顯黃色熒光,圖2A正常的破骨細(xì)胞吖啶橙染色淺淡,細(xì)胞核大小均勻、染色質(zhì)分布均勻;圖2B凋亡的破骨細(xì)胞吖啶橙著色較深,細(xì)胞核濃縮,細(xì)胞核大小不均、染色質(zhì)分布不均。提示LMWF能明顯的促進(jìn)成熟破骨細(xì)胞的凋亡。
圖1 LMWF對(duì)破骨細(xì)胞TRAP染色與骨吸收陷窩的影響1A為對(duì)照組,1B為L(zhǎng)MWF組,1C為對(duì)照組,1D為L(zhǎng)MWF組Fig.1 Effect of LMWF on TRAP staining and resorption pits1A, 1C: Control group; 1B, 1D: LMWF group
組別樣本數(shù)目(n)TRAP陽性細(xì)胞數(shù)目(n) 骨吸收面積μm2對(duì)照組529.4±3.23451.6±108.2LMWF組517.6±2.4?1972.4±96.4?
注:與空白對(duì)照組比較,*P<0.05
破骨細(xì)胞經(jīng)Annexin V與PI雙染后,進(jìn)行流式細(xì)胞儀分析,得出四個(gè)象限。分別為Q1(左上)象限:為PI單陽性,代表細(xì)胞膜破壞而核膜存在的細(xì)胞,一般指機(jī)械損傷細(xì)胞;Q2(右上)象限為PI,V -FITC雙陽性,代表中晚期凋亡細(xì)胞和壞死細(xì)胞;Q3(右下)象限為V-FITC單陽性,代表早期凋亡細(xì)胞;Q4(左下)象限為雙陰性,代表活細(xì)胞。由圖2C、2D可見,與對(duì)照組相比,LMWF組破骨細(xì)胞的凋亡率明顯上升。
圖2 LMWF對(duì)破骨細(xì)胞凋亡的吖啶橙染色與流式細(xì)胞術(shù)Fig.2 Effect of LMWF on osteoclast apoptosis2A為對(duì)照組,2B為L(zhǎng)MWF組,2C為對(duì)照組,2D為L(zhǎng)MWF組2A, 2C: Control group; 2B, 2D: LMWF group
RANKL誘導(dǎo)5 d后的破骨細(xì)胞中caspase-3活性隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增加;當(dāng)5 ng/mL LMWF作用于誘導(dǎo)5 d后的破骨細(xì)胞24 h后caspase-3活性稍微升高;隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng),caspase-3活性進(jìn)一步上升,并在作用72 h后達(dá)到高峰。提示LMWF誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡的過程中,可提高caspase-3的活性,見圖3。
圖3 LMWF在不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)破骨細(xì)胞caspase-3活性的影響注:與對(duì)照組比較,*P<0.05,**P<0.01Fig.3 Effect of LMWF on caspase-3 activity at different time pointsNote:*P<0.05 vs Control group;** P<0.01 vs Control group
熒光定量PCR檢測(cè)各組BCL-2和BAX基因mRNA表達(dá)結(jié)果發(fā)現(xiàn)。與空白組比較,5 ng/mL LMWF組中成熟破骨細(xì)胞中BCL-2表達(dá)明顯減少,P<0.05,有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異;BAX表達(dá)明顯升高,P<0.05,有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異;BCL-2/BAX比值顯著下降,P<0.01,有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,見圖4。
圖4 LMWF處理后細(xì)胞中BCL-2與BAX mRNA表達(dá)水平的變化注:與對(duì)照組比較,*P<0.05,** P<0.01Fig.4 Expression of BCL-2 and BAX mRNA in osteoclasts after 72 h-treatment with LMWF detected using RT-PCRNote:*P<0.05 vs Control group;** P<0.01 vs Control group
骨質(zhì)疏松是以骨量減少、骨的微結(jié)構(gòu)退變?yōu)樘卣鳎瑢?dǎo)致骨脆性增加容易發(fā)生骨折的全身性骨病[5]。在骨代謝過程中,破骨細(xì)胞對(duì)骨吸收起主要作用,陳舊骨折的吸收速率與時(shí)間長(zhǎng)短主要由破骨細(xì)胞的活性和數(shù)量決定;破骨細(xì)胞是來源于單核巨噬細(xì)胞系統(tǒng),成熟的破骨細(xì)胞有多個(gè)細(xì)胞核,細(xì)胞質(zhì)中有大量的線粒體、高爾基體、溶酶體等特點(diǎn),成熟破骨細(xì)胞不能進(jìn)行有絲分裂,壽命約為14d左右[6-8]。目前破骨細(xì)胞的培養(yǎng)方法主要有兩種:①四肢長(zhǎng)骨機(jī)械分離法:采用酶消化法分離提取動(dòng)物四肢長(zhǎng)骨的成熟破骨細(xì)胞,分離的破骨細(xì)胞骨吸收活性大,但數(shù)量較小,難以大量使用;②破骨樣細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)法:采用RANKL、M-CSF等誘導(dǎo)單核細(xì)胞為成熟的破骨樣細(xì)胞,誘導(dǎo)得到的破骨樣細(xì)胞數(shù)量較多,但骨吸收活性稍弱[9-11]。由于本實(shí)驗(yàn)需要大量的破骨細(xì)胞,因此采用了100 ng/mL RANKL誘導(dǎo)RAW264.7細(xì)胞株為成熟的破骨細(xì)胞,經(jīng)破骨細(xì)胞特異性的TRAP染色和骨吸收功能成功的進(jìn)行了鑒定,已有大量文獻(xiàn)證明[12-14]單獨(dú)100 ng/mL的RANKL即可誘導(dǎo)出成熟的破骨細(xì)胞。
褐藻糖膠是目前研究最多的非哺乳動(dòng)物來源的,具有生物學(xué)活性的硫酸化多糖,主要存在于藻類和棘皮動(dòng)物中。褐藻糖膠又稱巖藻聚糖、巖藻聚糖硫酸酯、褐藻多糖硫酸酯,是從褐藻中提取的一類硫酸多糖,主要位于褐藻的細(xì)胞壁基質(zhì)中,占褐藻細(xì)胞壁干重的40%以上,是藻體維持體內(nèi)濕度、防止體表干燥和保護(hù)其免受損傷的一種成分,為褐藻利用光能所必需。大量研究已表明褐藻糖膠具有廣泛的生物學(xué)活性,如具有調(diào)節(jié)血脂、抗腫瘤、抗病毒、抗凝血、抗氧化、調(diào)節(jié)免疫和保護(hù)腎臟等作用[15]。
已經(jīng)有報(bào)道[16]采用含有褐藻糖膠的骨支架,可以誘導(dǎo)成骨性,但褐藻糖膠對(duì)破骨細(xì)胞的影響尚未見報(bào)道。通過我們的實(shí)驗(yàn)對(duì)TRAP(+)細(xì)胞計(jì)數(shù)發(fā)現(xiàn)LMWF可以減少RANKL誘導(dǎo)成熟破骨細(xì)胞的數(shù)量;應(yīng)用掃描電子電鏡對(duì)薄骨片骨吸收陷窩掃描發(fā)現(xiàn)LMWF可以抑制破骨細(xì)胞的骨吸收功能,骨吸收陷窩數(shù)量與骨吸收面積顯著減少。提示LMWF不僅可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化、增值。同時(shí)能抑制破骨細(xì)胞的數(shù)量及骨吸收功能。
吖啶橙染色發(fā)現(xiàn)LMWF組的破骨細(xì)胞細(xì)胞核變小,染色質(zhì)不均勻,細(xì)胞核著色較深,提示LMWF組的破骨細(xì)胞凋亡率明顯高于正常對(duì)照組的破骨細(xì)胞;流式細(xì)胞術(shù)Annexin V與PI雙染得出LMWF組早期凋亡破骨細(xì)胞明顯高于正常對(duì)照組,而中晚期凋亡細(xì)胞和壞死細(xì)胞與正常對(duì)照組無差異,提示LMWF具有促進(jìn)破骨細(xì)胞的凋亡的作用。
Caspase家族是一組半胱氨酸天門冬氨酸蛋白酶,在細(xì)胞凋亡的啟動(dòng)和完成中起重要作用,是細(xì)胞凋亡的執(zhí)行者,決定了細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)改變和生物化學(xué)改變。Caspase的活化途徑有兩條:一條途徑是由死亡受體如Fas或TNFR介導(dǎo)的。另一條途徑由很多的促凋亡信號(hào)(如Bax)集中在線粒體水平,使細(xì)胞色素C從線粒體釋放到細(xì)胞質(zhì)中,與Apaf-1(apoptosis protease acticating factor-1))結(jié)合, 進(jìn)而激活Caspase-9,三者共同組成一個(gè)重要的效應(yīng)Caspase的激活因子,接著逐步活化Caspase-3和Caspase-6、Caspase-7,產(chǎn)生Caspase的級(jí)聯(lián)放大反應(yīng)[17-19]。Caspase-3處于凋亡Caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)的下游,是最重要的效應(yīng)型Caspase。 Caspase-3是多種凋亡刺激信號(hào)傳遞的匯聚點(diǎn),是細(xì)胞凋亡性死亡的最終執(zhí)行者,Caspase-3的活化說明凋亡進(jìn)入不可逆階段[20]。本實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)LMWF可以明顯提高破骨細(xì)胞Caspase-3的活性,促進(jìn)破骨細(xì)胞的凋亡。
凋亡相關(guān)基因中的BCL-2家族是細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,由抗凋亡和促凋亡成員協(xié)同作用,發(fā)揮著細(xì)胞凋亡開關(guān)的作用。BCL-2是B細(xì)胞淋巴瘤/白血病2基因的縮寫,能抑制細(xì)胞凋亡,其作用機(jī)制為:①抑制氧自由基;②影響細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的Ca2+內(nèi)流;③干擾細(xì)胞色素C的釋放而阻斷Caspase蛋白酶的激活,抑制細(xì)胞凋亡;④影響其他誘導(dǎo)凋亡的基因,如BCL-2可抑制p53、 c-myc誘發(fā)的細(xì)胞凋亡[21]。BAX即BCL-2相關(guān)的X蛋白,可促進(jìn)細(xì)胞凋亡, BAX基因的表達(dá)并不立即導(dǎo)致細(xì)胞凋亡,而是僅在細(xì)胞接受死亡信號(hào)之后BAX才可以開始發(fā)揮作用,通過抑制BCL-2的作用而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。BAX可以同BCL-2形成異二聚體,使后者喪失抑制凋亡的作用,從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的發(fā)生[22]。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞凋亡的發(fā)生與BCL-2/BAX比值有關(guān),比值降低有利于破骨細(xì)胞發(fā)生凋亡[23]。 BCL-2/BAX降低,可引起線粒體膜電位的改變,進(jìn)一步激活Caspase-3誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡。BCL-2/BAX的相互抑制關(guān)系是細(xì)胞死亡的細(xì)胞內(nèi)檢測(cè)點(diǎn)。在正常情況下, BCL-2和BAX在細(xì)胞內(nèi)保持平衡。如果BCL-2相對(duì)量高于BAX,則促進(jìn)形成BCL-2/BAX異二聚體,并使BCL-2同二聚體的量增多,從而抑制細(xì)胞凋亡;如果BAX相對(duì)量高于BCL-2,則BAX同二聚體的量增多,并抑制形成BCL-2/BAX異二聚體,從而促進(jìn)細(xì)胞凋亡[24]。本實(shí)驗(yàn)PCR結(jié)果發(fā)現(xiàn),LMWF可以可下調(diào)Bcl-2基因的表達(dá),上調(diào)BAX基因的表達(dá),導(dǎo)致BCL-2/BAX比值降低,這可以促進(jìn)了線粒體膜的通透性的下降,導(dǎo)致細(xì)胞色素C等促細(xì)胞凋亡因子向細(xì)胞質(zhì)的釋放,最終激活Caspase-3誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡。
綜上所述,本課題組認(rèn)為,低分子量褐藻糖膠可以抑制破骨細(xì)胞的活性與骨吸收功能,促進(jìn)破骨細(xì)胞的凋亡,其機(jī)制與線粒體凋亡途徑密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)了褐藻糖膠在骨科中的用途,為海洋醫(yī)藥在骨科中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)理論。