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        奶牛小腸上皮細(xì)胞氧化損傷模型的構(gòu)建

        2018-11-24 03:16:30孔令聯(lián)崔艷軍楊金勇李東平劉東鑫羽中茅慧玲
        中國畜牧雜志 2018年11期
        關(guān)鍵詞:培養(yǎng)液小腸存活率

        孔令聯(lián),崔艷軍,楊金勇,李東平,劉東鑫, 王 羽中*, 茅慧玲*

        (1. 浙江農(nóng)林大學(xué)動物科技學(xué)院,動物營養(yǎng)研究所,浙江杭州 311300;2. 浙江省畜牧技術(shù)推廣總站,浙江杭州 310021)

        氧化應(yīng)激是機體內(nèi)氧化-抗氧化平衡狀態(tài)的一種失衡,會導(dǎo)致細(xì)胞損傷。大多數(shù)細(xì)胞能夠承受一定程度的氧化應(yīng)激,這是由于其具有足夠的抗氧化防御能力和修復(fù)系統(tǒng),能夠識別和清除被氧化損傷的分子[1]。當(dāng)體內(nèi)高活性分子如活性氧(ROS)產(chǎn)生過多且超出機體的防御能力時,就會導(dǎo)致氧化應(yīng)激,從而導(dǎo)致諸如脂類、DNA和蛋白質(zhì)等生物大分子的損傷,并可導(dǎo)致疾病[2]。

        小腸上皮細(xì)胞是體內(nèi)更新速度最快的一類細(xì)胞,消化食物、吸收營養(yǎng)的同時防止有害物質(zhì)侵入體內(nèi),其結(jié)構(gòu)和功能的完整性對奶牛的健康狀況和生產(chǎn)性能有重要影響。引起奶牛氧化應(yīng)激的因素有很多,包括高強度代謝、環(huán)境因素、日糧結(jié)構(gòu)等[3]。腸上皮細(xì)胞容易受到氧化應(yīng)激的影響,在多種生理、病理及飲食不當(dāng)過程中都可能產(chǎn)生氧化損傷,如炎性腸病、斷奶應(yīng)激、熱應(yīng)激等[4]。目前,在細(xì)胞水平上關(guān)于奶牛氧化應(yīng)激的報道主要集中在乳腺,對奶牛腸細(xì)胞氧化損傷機制的研究甚少,因此建立奶牛小腸上皮細(xì)胞氧化應(yīng)激模型,對于揭示細(xì)胞氧化應(yīng)激機制、研究開發(fā)抗氧化型日糧,提高機體抗氧化能力和腸道營養(yǎng)物質(zhì)吸收能力具有重要的意義。過氧化氫(H2O2)是一種氧化作用較強的ROS,可誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生氧化應(yīng)激,由于其性質(zhì)相對穩(wěn)定且易于獲得,被廣泛應(yīng)用于各類細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷的研究[5]。本試驗利用奶牛小腸上皮細(xì)胞系,以H2O2為誘導(dǎo)劑,建立奶牛小腸上皮細(xì)胞體外氧化應(yīng)激模型,為進一步研究奶牛腸道的氧化損傷機制及氧化應(yīng)激下的營養(yǎng)物質(zhì)吸收規(guī)律提供平臺和基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 主要試劑與儀器 永生化奶牛小腸上皮細(xì)胞系(取自空腸段)購自上海賽齊生物工程有限公司;DMEM培養(yǎng)基、胎牛血清購自美國Gibco公司;PBS、0.25%胰蛋白酶-EDTA消化液購自上海生工生物工程有限公司;噻唑藍(lán)(MTT)、二甲基亞砜(DMSO)、氯化硝基四氮唑藍(lán)(NBT)、甲醇、氫氧化鉀均購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;3%H2O2、乳酸脫氫酶(LDH)、超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)試劑盒均購自南京建成生物工程研究所;96孔板和6孔板購自Corning公司。CO2培養(yǎng)箱(THermo)、倒置顯微鏡(Motic)、酶標(biāo)儀(THermo)、T6紫外可見光分光光度計(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)。

        1.2 試劑配制 H2O2貯備液的配制:3% H2O2濃度約為882 mmol/L,分別加入無菌雙蒸水稀釋至50、100、200、400、800 mmol/L作為貯備液備用。

        處理培養(yǎng)液的配制:分別取20 μL不同濃度的H2O2貯備液加入到19.98 mL的DMEM培養(yǎng)基中[6],使處理培養(yǎng)液中H2O2濃度分別為0、50、100、200、400、800 μmol/L。配制好的培養(yǎng)基過濾除菌,H2O2貯備液現(xiàn)用現(xiàn)配。

        氯化硝基四氮唑藍(lán)(NBT)反應(yīng)液的配制:準(zhǔn)確稱取10 mg NBT,加無菌PBS溶解定容至10 mL,配制成濃度為1 mg/mL的NBT反應(yīng)液過濾除菌備用。

        1.3 試驗方法

        1.3.1 細(xì)胞培養(yǎng)與試驗分組 將奶牛小腸上皮細(xì)胞按3×105個/mL接種在含10%胎牛血清、100 U/mL青霉素、100 mg/mL鏈霉素、10 mmol/L Hepes緩沖液、2 mmol/LL-谷氨酰胺的DMEM培養(yǎng)基中,放入37 、5% CO2培養(yǎng)箱中溫育,每2~3 d傳代1次,取對數(shù)生長期的第3代貼壁生長的細(xì)胞用于試驗,對數(shù)期為2~4 d。試驗一:采用單因子完全隨機試驗設(shè)計,將細(xì)胞隨機分為6組,每組6個重復(fù),試驗重復(fù)3次。試驗組培養(yǎng)液中分別添加0、50、100、200、400、800 μmol/L 的 H2O2(0 μmol/L 為 對照組),分別作用細(xì)胞2、4、6 h,測定細(xì)胞存活率,初步篩選適宜的H2O2作用時間。試驗二:在篩選出適宜H2O2作用時間(2 h)的基礎(chǔ)上,采用單因子完全隨機試驗設(shè)計,用不同濃度(0、50、100、200、400、800 μmol/L)的H2O2分別作用細(xì)胞2 h,收集細(xì)胞和培養(yǎng)液,測定抗氧化指標(biāo),進一步篩選出建立奶牛小腸上皮細(xì)胞氧化損傷模型的適宜H2O2濃度。

        1.3.2 細(xì)胞存活率檢測 采用MTT比色法檢測細(xì)胞存活率[7],取對數(shù)生長期奶牛腸小上皮細(xì)胞以5×104個/mL細(xì)胞密度接種于96孔板上,共設(shè)6組,每組6個重復(fù)孔,試驗重復(fù)3次,置于37 、5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后,去除培養(yǎng)液,每孔分別加入100 μL的0、50、100、200、400、800 μmol/L H2O2濃度的處理培養(yǎng)液,分別處理細(xì)胞2、4 、6 h,去除處理培養(yǎng)液,換新鮮培養(yǎng)液,同時每孔加入20 μL 5 g/L的MTT,于37 、5%CO2培養(yǎng)箱中孵育4 h,去除培養(yǎng)液及MTT,每孔加入150 μL 二甲基亞砜(DMSO),震蕩5 min,用酶標(biāo)儀測定各孔在波長490 nm處的吸光度。根據(jù)下列公式計算存活率。

        1.3.3 ROS檢測 采用NBT還原法檢測ROS[8]。NBT法通常作為超氧化物的檢測方法,可生成難溶的藍(lán)色結(jié)晶甲瓚,同樣也可用于ROS檢測[9]。將對數(shù)生長期的奶牛小腸上皮細(xì)胞以5×104個/mL細(xì)胞密度制成細(xì)胞懸液,每孔100 μL接種于96孔板上,加入H2O2處理2 h,去除含H2O2的培養(yǎng)液,PBS洗3遍,加入NBT反應(yīng)液,每孔100 μL,37 、5% CO2孵育2 h,去除NBT反應(yīng)液,每孔加入200 μL甲醇,5 min后用70%甲醇洗2次,去除液體、吹干,每孔加入120 μL 2 mol/L的氫氧化鉀(KOH)和140 μL DMSO。待結(jié)晶物充分溶解后,用酶標(biāo)儀測定各孔在波長620 nm處的吸光度值。

        1.3.4 LDH、SOD、GSH-Px測定 將奶牛小腸上皮細(xì)胞以2×105個/mL的密度接種于6孔板,試驗重復(fù)3次,倒置顯微鏡下觀察細(xì)胞長至70%~80%,換含H2O2的處理培養(yǎng)液,H2O2處理2 h后,收集細(xì)胞培養(yǎng)液于2 mL Eppendof管中,12 000 r/min離心10 min,取上清用于LDH活性測定。取細(xì)胞,無菌PBS洗2遍,加入0.25%胰蛋白酶-EDTA消化,收集細(xì)胞懸液于10 mL離心管,1 000 r/min離心5 min,棄上清,加入無菌PBS洗1次再離心5 min,棄上清后加入1 mL PBS制成細(xì)胞懸液,細(xì)胞破碎儀破碎(冰水浴,功率200 W,超聲3 s,間隔4 s,超聲5 min),參照南京建成生物工程研究所提供的試劑盒說明書,測定細(xì)胞內(nèi)SOD和GSH-Px活性。LDH活性采用微板法測定,單位定義為1 000 mL細(xì)胞培養(yǎng)液37 與基質(zhì)作用15 min,在反應(yīng)體系中產(chǎn)生1 μmol丙酮酸為1單位;SOD活性采用黃嘌呤氧化酶法測定,單位定義為每毫升反應(yīng)液中SOD抑制率達(dá)50%時所對應(yīng)的SOD量為一個SOD活力單位(U);GSH-Px活性采用比色法測定,單位定義為每0.1 mL反應(yīng)液在37 反應(yīng)5 min,扣除非酶促反應(yīng)作用,使反應(yīng)體系中GSH濃度降低1 μmol/L為一個酶活力單位。

        1.4 統(tǒng)計分析 試驗采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件,選擇單因素ANOVA程序?qū)?shù)據(jù)進行方差分析,兩兩比較采用LSD法。結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差 。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

        2 結(jié) 果

        2.1 H2O2對奶牛小腸上皮細(xì)胞存活率的影響 由表1可見,隨著H2O2濃度增加,H2O2處理組細(xì)胞存活率較對照組顯著降低(P<0.05)。50 μmol/L組存活率均在80%以上,細(xì)胞損傷較小;100 μmol/L組處理細(xì)胞6 h后,細(xì)胞存活率 降低至55%,2 h和4 h組存活率均大于70%;200 μmol/L組處理細(xì)胞2 h后,細(xì)胞存活率相對于對照組顯著降低至64.03%(P<0.05),符合建立氧化應(yīng)激模型的條件;400、800 μmol/L組存活率進一步降至30%左右,細(xì)胞存活率較低。

        表1 H2O2對奶牛小腸上皮細(xì)胞存活率的影響(n=6) %

        2.2 H2O2作用2 h對奶牛小腸上皮細(xì)胞形態(tài)的影響由圖1可見,不同濃度H2O2處理奶牛小腸上皮細(xì)胞2 h后,對照組細(xì)胞貼壁良好,形態(tài)正常且分布均勻;50、100 μmol/L組細(xì)胞形態(tài)無明顯變化,細(xì)胞間隙變大,少量細(xì)胞變圓脫落;200 μmol/L組細(xì)胞體積縮小,細(xì)胞間隙增大并出現(xiàn)小部分脫落,少量細(xì)胞變圓死亡;400、800 μmol/L組細(xì)胞形態(tài)顯著改變,細(xì)胞變圓變亮,死亡數(shù)量較多;800 μmol/L組大量細(xì)胞脫落,細(xì)胞核突出,產(chǎn)生了DNA損傷。

        2.3 細(xì)胞內(nèi)ROS和培養(yǎng)液中LDH含量 由表2可見,隨著H2O2濃度的增加,100~800 μmol/L組細(xì)胞內(nèi)ROS含量相對于對照組和50 μmol/L組顯著上升(P<0.05)。細(xì)胞培養(yǎng)液中LDH含量隨著H2O2濃度的增加逐漸升高,當(dāng)濃度達(dá)到200 μmol/L時,LDH的含量顯著高于對照組(P<0.05)。

        圖1 H2O2作用2 h對奶牛小腸上皮細(xì)胞形態(tài)的影響(×100 )

        2.4 H2O2作用2 h對奶牛小腸上皮細(xì)胞ROS、LDH、SOD、GSH-Px活性的影響 由表2可見,50 μmol/L組細(xì)胞內(nèi)T-SOD活性較對照組無顯著變化(P>0.05),100 μmol/L組T-SOD活性上升(P>0.05);相對于對照組,200、400、800 μmol/L組T-SOD活性顯著降低(P<0.05)。隨著H2O2濃度增加,細(xì)胞內(nèi)GSH-Px活性呈降低趨勢,當(dāng)H2O2濃度達(dá)到200 μmol/L時,與對照組相比細(xì)胞內(nèi)GSH-Px活性顯著降低(P<0.05)。

        3 討 論

        氧化應(yīng)激是ROS在體內(nèi)產(chǎn)生的一種負(fù)面作用,機體在受到外界刺激及生理代謝過程中會產(chǎn)生很多具有潛在毒性的自由基[10],這些物質(zhì)具有高度的活性,可以修改蛋白質(zhì)、脂類和核酸(DNA和RNA)等多種生物大分子,導(dǎo)致細(xì)胞氧化應(yīng)激,引發(fā)功能障礙,導(dǎo)致細(xì)胞死亡。高產(chǎn)奶牛代謝旺盛,腸道作為消化和吸收的主要部位容易發(fā)生氧化應(yīng)激并產(chǎn)生損傷。H2O2可穿過細(xì)胞膜與細(xì)胞內(nèi)Fe2+反應(yīng)生成高活性的自由基,且由于H2O2性質(zhì)相對穩(wěn)定且易于獲得,已經(jīng)成為研究細(xì)胞氧化損傷的重要工具[11]。不同細(xì)胞建立氧化應(yīng)激模型的條件存在顯著差異,這可能與細(xì)胞本身的耐受性有關(guān),但選用的存活率大都在50%~70%。細(xì)胞存活率過高說明細(xì)胞氧化應(yīng)激不明顯;細(xì)胞存活率過低說明細(xì)胞產(chǎn)生了不可逆損傷,細(xì)胞大量死亡。ROS包括超氧陰離子(O2-)、羥自由基(?OH)和H2O2等,對細(xì)胞有很強的破壞性,即使ROS是正常呼吸過程中產(chǎn)生的,也會造成累積的損傷,最終導(dǎo)致細(xì)胞和組織功能喪失。本試驗選用200 μmol/L的H2O2作用奶牛小腸上皮細(xì)胞2 h,細(xì)胞存活率顯著降低至64.03%且ROS產(chǎn)量相對于對照組顯著上升,說明細(xì)胞產(chǎn)生了一定程度的氧化損傷,同時又保持了較理想的存活率,符合建立模型的條件。

        表2 H2O2作用2 h對奶牛小腸上皮細(xì)胞ROS、LDH、SOD、GSH-Px活性的影響(n=3)

        LDH存在于機體所有組織細(xì)胞的胞質(zhì)內(nèi),細(xì)胞發(fā)生氧化損傷時,細(xì)胞膜受損,胞質(zhì)內(nèi)的LDH外泄出來。LDH在細(xì)胞培養(yǎng)液中的含量變化反映了細(xì)胞膜的損傷程度。本試驗結(jié)果表明,隨著H2O2濃度提高,培養(yǎng)液中LDH含量顯著上升,說明細(xì)胞產(chǎn)生了不同程度的氧化損傷。正常狀態(tài)下,機體氧化與抗氧化系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),代謝過程中產(chǎn)生的ROS能被體內(nèi)的抗氧化酶及時清除,如SOD和GSH-Px。超氧化物主要通過SOD來調(diào)節(jié)[12],作為氧化磷酸化的副產(chǎn)物,線粒體會產(chǎn)生大量O2-,SOD使其轉(zhuǎn)化為H2O2,再由GSH-Px將H2O2分解為H2O。SOD和GSH-Px活性是機體抗過氧化能力的重要指標(biāo)。本試驗中細(xì)胞內(nèi)總SOD活性隨著H2O2濃度的提高呈先略升高再顯著降低的趨勢,這可能是細(xì)胞內(nèi)氧化-抗氧化系統(tǒng)調(diào)控的結(jié)果,H2O2濃度為50、100 μmol/L時,細(xì)胞氧化損傷較輕,抗氧化系統(tǒng)通過提高SOD活性來緩解氧化應(yīng)激損傷;H2O2濃度為200 μmol/L時,SOD活性較對照組顯著降低,細(xì)胞發(fā)生了一定程度的氧化應(yīng)激。GSH-Px是抗氧化防御系統(tǒng)的重要組成部分[13],是機體內(nèi)廣泛存在的一種重要的過氧化物分解酶,其活性中心為硒半胱氨酸。硒是GSH-Px酶系的組成成分,它能催化GSH變?yōu)镚SSG,使有毒的過氧化物還原成無毒的羥基化合物,同時促進H2O2分解,從而保護細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)及功能不受損害。本試驗中,H2O2作用細(xì)胞2 h后GSH-Px活性逐漸降低,當(dāng)H2O2濃度達(dá)到200 μmol/L時,GSH-Px活性相對于對照組顯著降低,導(dǎo)致細(xì)胞抗氧化防御能力下降,干擾了氧化和抗氧化系統(tǒng)之間的平衡,產(chǎn)生氧化損傷。

        4 結(jié) 論

        本試驗中,200 μmol/L H2O2作用奶牛小腸上皮細(xì)胞2 h,可成功構(gòu)建以H2O2為誘導(dǎo)劑的奶牛小腸上皮細(xì)胞氧化損傷模型,為今后研究氧化應(yīng)激下奶牛腸道養(yǎng)分消化吸收提供平臺和基礎(chǔ)。

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