王舉波,權(quán) 瑜,呂 健,董丹鳳
(1西安交通大學第二附屬醫(yī)院神經(jīng)外科,西安 710004;2西安交通大學第一附屬醫(yī)院腫瘤內(nèi)科;*通訊作者,E-mail:54257589@qq.com)
腦膠質(zhì)瘤具有高發(fā)病率、高復(fù)發(fā)率、高死亡率的三高特點,在全身腫瘤中,其5年死亡率僅次于胰腺癌和肺癌,居第3位。它起源于神經(jīng)上皮組織,是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最為常見的顱內(nèi)原發(fā)惡性腫瘤,無論兒童還是成人,總體預(yù)后不佳[1]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤中,以其高致死致殘率而危害最大,給家庭及社會帶來沉重負擔。高侵襲、無序增殖及代謝紊亂是膠質(zhì)瘤細胞的顯著特性[2-4],因而深入研究其侵襲發(fā)生發(fā)展機制具有重要的臨床與社會意義。
三羧酸循環(huán)是細胞氧化還原代謝的重要途徑,而異檸檬酸脫氫酶是三羧酸循環(huán)中的重要限速酶。人類基因共編碼三種異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase,IDH),其中IDH1主要分布于細胞質(zhì)內(nèi)和過氧化物酶體內(nèi),而IDH2和IDH3主要分布于線粒體內(nèi)[5]。IDH1基因突變在膠質(zhì)瘤中有廣泛的基因突變譜,研究顯示在低級別膠質(zhì)瘤中突變率達到76%[6],而在原發(fā)膠質(zhì)母細胞瘤中卻不足5%。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)突變型IDH1基因(mutant isocitrate dehydrogenase 1,mIDH1)亞型膠質(zhì)瘤預(yù)后相對優(yōu)于野生型IDH1(wild isocitrate dehydrogenase 1,wIDH1)膠質(zhì)瘤患者[6],而侵襲性是膠質(zhì)瘤細胞最為顯著的特性,對膠質(zhì)瘤患者的預(yù)后有著重要影響。本研究旨在探討mIDH1過表達對膠質(zhì)瘤U87細胞系侵襲能力的影響,從而了解膠質(zhì)瘤不同亞型預(yù)后差異的原因,并通過進一步了解膠質(zhì)瘤的發(fā)生發(fā)展機制為尋求膠質(zhì)瘤治療的有效靶點,為個體化治療方案提供參考。
人膠質(zhì)瘤細胞株U87細胞系由西安交通大學醫(yī)學院中心實驗室提供,基質(zhì)金屬蛋白酶-2(matrix metalloproteinase-2,MMP-2);基質(zhì)金屬蛋白酶-9(matrix metalloproteinase-9,MMP-9)兔抗人單克隆抗體購買于Santa Cruze公司,胎牛血清采用四季青公司產(chǎn)品,脂質(zhì)體Lip2000系Sigma公司產(chǎn)品,基質(zhì)膠、Transwell小室購自上海玉博生物科技有限公司,Western-blot試劑盒系上海銳賽公司產(chǎn)品,Pcmv-IDH1模板及p-EGFP-1質(zhì)??蛰d體購自上海奧克生物技術(shù)公司。實驗用相關(guān)基本試劑及試驗耗材均購自西安交通大學實驗耗材供應(yīng)中心,無菌超凈臺、培養(yǎng)箱、電泳儀、酶標儀、熒光顯微鏡等試驗儀器均由西安交通大學醫(yī)學院中心實驗室提供。
人腦膠質(zhì)瘤細胞株U87細胞用含有100 IU/ml青霉素、100 IU/ml鏈霉素、100 ml/L胎牛血清的DMEM培養(yǎng)基在37 ℃培養(yǎng)箱、50 ml/L CO2條件下培養(yǎng),定時換液、傳代。
Primer5軟件設(shè)計引物如下。p1(模板鏈引物):5′-ATCGAGCTCAGGAACTGGGGTGATAAGA-3′;p2(反義鏈引物):5′-CGCGGATCCTTCACAAAGGTGGCAATAAC-3′;模板Pcmv-IDH1 SEQUENCE 225-1466為人IDH1 cDNA克隆載體;對IDH1 PCR產(chǎn)物及p-EGFP-C1質(zhì)粒利用限制性內(nèi)切酶BamH Ⅰ和SacⅠ雙酶切,并對目的片段回收,T4 DNA Lig對反應(yīng)體系進行連接重組,構(gòu)建wIDHI1真核表達載體,根據(jù)點突變試劑盒說明構(gòu)建mIDH1真核表達載體,大腸桿菌感受態(tài)對真核表達載體擴增,方法如下。
取預(yù)先制備好的感受態(tài)DH5a,冰上解凍,加入1 μl質(zhì)粒(連接產(chǎn)物),冰上放置30 min,42 ℃熱激90 s,冰上放置2 min,加入900 μl LB培養(yǎng)基(卡那霉素陰性),37 ℃ 150 r/min振蕩培養(yǎng)45 min,4 000 r/min離心5 min,吸棄800 μl上清液,剩余培養(yǎng)液重新混懸,吸取100 μl均勻涂菌,將培養(yǎng)皿正放置15 min,于37 ℃培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)過夜(14 h);過夜的培養(yǎng)可見有散在的菌落生長,于消毒超凈臺中分別用消毒牙簽選取6個單克隆菌落,分別加入到錐形瓶中,每個錐形瓶中加入10 ml LB培養(yǎng)基(卡那霉素陽性),瓶口擰緊后回擰一圈,于37 ℃溫箱內(nèi)以180 r/min震蕩培養(yǎng)過夜(12-14 h)。將菌液用干凈的1.5 ml EP管分兩次收集3.0 ml菌液中的細菌,室溫條件下離心,1 000 r/min,1 min,棄去上清液;按照質(zhì)粒提取試劑盒操作步驟提取質(zhì)粒。
細胞接種,融合率達60%-70%時,按脂質(zhì)體Lip2000試劑說明書轉(zhuǎn)染細胞,G418篩選,篩選步驟如下:取對數(shù)生長期細胞消化,調(diào)整細胞濃度為1.5×105/ml,制成均一的細胞懸液,用移液器吸取1 ml加入到24孔培養(yǎng)板中,培養(yǎng)18 h左右,吸棄24孔板中的培養(yǎng)液,向每個培養(yǎng)孔中加入含10%胎牛血清培養(yǎng)液1 ml,按照0,200,400,600,800,1 000 μg/ml的G418濃度加入到每一縱列培養(yǎng)孔中,每個濃度設(shè)4個復(fù)孔。每2 d換完全培養(yǎng)基一次,觀察至10 d,細胞恰好完全死亡的所在孔的G418濃度即為最佳抗性篩選濃度,以此G418濃度進行篩選,直至單克隆細胞株出現(xiàn),因目的基因重組后與p-EFPF-C1有共同的啟動子,所以熒光顯微鏡下能看到EGFP表達即可確定目的基因表達。單克隆細胞株篩選成功后進行傳代培養(yǎng),凍存留種備用。
根據(jù)mIDH1、wIDH1及空載體對照(p-EGFP-C1)目的基因的不同,將轉(zhuǎn)染相應(yīng)目的基因的膠質(zhì)瘤穩(wěn)轉(zhuǎn)細胞系分為mIDH1組、wIDH1組及空載體對照組,以劃痕愈傷實驗檢測其細胞遷移增殖能力,細胞免疫熒光法監(jiān)測其MMP-2及MMP-9的表達差異,Transwell法監(jiān)測其侵襲能力的差異;對應(yīng)的裸鼠移植瘤模型定義為mIDH1組、wIDH1組及空載體對照組,采用免疫組化法檢測其體內(nèi)組織中MMP-2及MMP-9表達差異。
穩(wěn)定轉(zhuǎn)染細胞正常傳代,待細胞匯合度達到90%左右時,用100 μl的移液槍頭在培養(yǎng)瓶底壁上做劃痕,細胞常規(guī)換液培養(yǎng)24 h,24 h后于顯微鏡下觀察膠質(zhì)瘤細胞對劃痕的愈傷修復(fù)情況,顯微鏡高倍鏡下分別計數(shù)劃痕范圍內(nèi)5個視野的細胞數(shù),比較每組細胞之間增殖遷移細胞數(shù)的差異,結(jié)果以均數(shù)±標準差形式表示。
將小室放入到24孔培養(yǎng)板中,將Matrigel基質(zhì)膠用無血清高糖DMEM培養(yǎng)液按比例稀釋,在每個Transwell小室內(nèi)加入配好的基質(zhì)膠50 μl,Transwell小室置入24孔板,在37 ℃細胞培養(yǎng)箱中孵育4 h,用2%的牛血清白蛋白PBS溶液漂洗Transwell小室2次,每次5 min,使基質(zhì)膠充分水化。細胞計數(shù)種植,每種細胞設(shè)置4個復(fù)孔,實驗結(jié)果重復(fù)三次,底層加入200 ml/L的血清誘導,培養(yǎng)24 h后取出Transwell小室,倒棄上室液體,用棉簽輕輕擦盡上室內(nèi)未穿膜細胞及Matrigel膠,結(jié)晶紫溶液染色15 min,PBS漂洗2次,于倒置顯微鏡下觀察細胞移行情況,每個小室的上下左右及中央選取5個顯微鏡視野,光鏡下計數(shù)5個視野的侵襲細胞數(shù),觀察轉(zhuǎn)染mIDH1、wIDH1及空載體對照基因膠質(zhì)瘤細胞的體外侵襲能力差異。
穩(wěn)定轉(zhuǎn)染膠質(zhì)瘤細胞傳代培養(yǎng),顯微鏡下計數(shù)調(diào)整細胞濃度。在24孔板內(nèi)加入10-20 μl培養(yǎng)液,將用酸處理并消毒過的蓋玻片緩慢置入其中,避免氣泡產(chǎn)生。用移液器取適量的細胞懸液接種于24孔板內(nèi),37 ℃細胞培養(yǎng)箱內(nèi)常規(guī)培養(yǎng)24 h,讓細胞爬行鋪貼于玻片上;將鋪有細胞爬片的培養(yǎng)孔內(nèi)的剩余培養(yǎng)液吸凈,預(yù)熱PBS輕柔漂洗培養(yǎng)孔2次;將4%多聚甲醛溶液適量加入到有細胞爬片的培養(yǎng)孔內(nèi),固定15 min;PBS漂洗2次,0.5%Triton打孔15 min,PBS漂洗2次;棄去PBS緩沖液,1%BSA封閉液封閉30 min;加入1%BSA稀釋的一抗(1 ∶5 000)30 μl于細胞爬片上,將24孔培養(yǎng)板置入濕化盒中,于4 ℃過夜孵育18-24 h;加入1% BSA稀釋的二抗(1 ∶2 500)30 μl于細胞爬片上,37 ℃溫箱內(nèi)孵育45 min,PBS漂洗2次;加入抗淬滅劑封片;倒置熒光顯微鏡下觀察有無肉眼可見的熒光表達差異。
純系裸小鼠,由西安交通大學醫(yī)學院動物研究中心代購于上海中科院動物研究所,SPF級實驗室內(nèi)分組專人獨立飼養(yǎng),受試動物4-5周齡大小,體質(zhì)量20-21 g,隨機分為3組,每組6只。mIDH1、wIDH1過表達細胞及空載體對照組細胞分別傳代培養(yǎng),待細胞達到足夠數(shù)量時,常規(guī)消化、離心、收集細胞,細胞計數(shù)、重懸、離心收集細胞,用適量的無血清DMEM高糖培養(yǎng)基制成細胞懸液,每只裸鼠接種細胞數(shù)為1×107,裸鼠背部皮膚碘伏局部消毒,用1 ml注射針吸取1×107個細胞,于背部皮膚消毒處將注射針斜45°刺入皮下,接種腫瘤細胞懸液,每日觀察裸鼠一般情況,1-2周后裸鼠移植瘤建模成功,成瘤后頸椎脫位法處死裸鼠,剝離腫瘤組織,記錄分析實驗數(shù)據(jù),將腫瘤組織分塊標記備用。
取石蠟固定的組織切片,將石蠟塊固定于切片機,按5 μm厚度切片,40 ℃水浴中載玻片撈片,在二甲苯中脫蠟5 min,再換用新鮮的二甲苯脫蠟,共用二甲苯脫蠟3次。乙醇梯度脫蠟,檸檬酸鈉抗原修復(fù),獗找封閉60 min。參考MMP-2、MMP-9一抗說明書進行一抗孵育(1 ∶2 500),4 ℃在側(cè)擺搖床上緩慢搖動孵育1 h。參考二抗說明書,按照適當比例進行二抗孵育(1 ∶1 000),室溫在側(cè)擺搖床上緩慢搖動孵育1 h,顯微鏡下觀察免疫組化結(jié)果,分別計數(shù)分析高倍鏡下10個細胞進行比較,結(jié)果判定標準如下:按陽性率和著色強度進行計分,以細胞內(nèi)見棕黃色或者棕褐色顆粒為陽性細胞。按陽性細胞面積計分:不表達為0分,<10%記1分,10%-50%記2分,51%-80%記3分,>80%記4分;按著色強度計分:不表達記0分,弱表達記1分,中度表達記2分,強表達記3分。兩者積分乘積為0表示陰性,>1為陽性,1-3表示弱陽性,4-7表示陽性,8-12為強陽性。陰性對照:利用PBS代替一抗作空白對照。
所有數(shù)據(jù)均用SPSS16.0統(tǒng)計軟件進行處理與分析。數(shù)據(jù)描述采用均數(shù)±標準差表示,組間比較采用方差分析(One-Way ANOVA)進行評價,以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。
目的基因及構(gòu)建的真核表達載體經(jīng)基因測序證實無誤,并與酶切鑒定圖譜相符(見圖1)。
實驗確定G418最佳篩選濃度為400 μg/ml,以此濃度對瞬時轉(zhuǎn)染目的基因的U87膠質(zhì)瘤細胞系進行穩(wěn)定轉(zhuǎn)染篩選,經(jīng)2周篩選可見單細胞克隆株出現(xiàn),經(jīng)傳代培養(yǎng)可穩(wěn)定表達帶綠色熒光報告基因的目的基因(見圖2)。
A. IDH1 PCR產(chǎn)物 B. wIDH1/mIDH1表達載體雙酶切鑒定圖1 IDH1擴增產(chǎn)物及wIDH1/mIDH1真核表達載體鑒定Figure 1 Identification of IDH1 products and eukaryotic expression vector
圖2 U87穩(wěn)轉(zhuǎn)細胞穩(wěn)定表達EGFP熒光報告基因 (×40)Figure 2 EGFP fluorescent reporter gene expressed in U87 stable cell line (×40)
將mIDH1、wIDH1及對照組穩(wěn)定轉(zhuǎn)染膠質(zhì)瘤細胞做劃痕實驗后繼續(xù)培養(yǎng)24 h,結(jié)果顯示:與對照組比較,mIDH1組的細胞劃痕修復(fù)愈傷能力較差,wIDH1組細胞劃痕修復(fù)愈傷能力較強(見圖3)。劃痕范圍內(nèi)每高倍鏡視野下可見遷移增殖細胞(50.8±5.8)個,與wIDH1過表達組每高倍鏡視野下遷移增殖細胞數(shù)[(114.4±9.6)個]比較,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.01),與空載體對照組遷移增殖細胞數(shù)[(96.4±7.2)個]比較,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.01),wIDH1過表達組與空載體對照組比較差異有統(tǒng)計學意義(P<0.01)。
用Transwell血清誘導法檢測膠質(zhì)瘤細胞侵襲能力的差異可見,mIDH1組細胞侵襲穿膜細胞數(shù)為27.3±4.2,低于wIDH1組(65.2±7.1)及空載體對照組(63.4±6.7),差異有統(tǒng)計學意義(P<0.01),wIDH1組與空載體對照組比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。
對mIDH1、wIDH1及對照組穩(wěn)轉(zhuǎn)細胞系,免疫熒光法檢測細胞MMP-2、MMP-9表達水平,UV激發(fā),藍光下觀察顯示細胞發(fā)出紅色熒光,mIDH1發(fā)出的熒光較另外兩組更為微弱,而wIDH1及空載體對照組無肉眼可見差別(見圖4)。
圖4 U87細胞MMP-2、MMP-9免疫熒光表達 (×40)Figure 4 MMP-2/MMP-9 immunofluorescence expression in glioma cells (×40)
對受試的18只純系裸小鼠皮下分別給予mIDH1、wIDH1及空載體對照穩(wěn)轉(zhuǎn)細胞注射植入(每組6只),經(jīng)飼養(yǎng)2周后全部成瘤,可于注射位置見腫瘤贅生物生長(見圖5)。
wIDH1 mIDH1 空載體對照組 圖5 構(gòu)建成功的裸鼠移植瘤模型Figure 5 Established nude mouse transplantation model
裸鼠成瘤實驗中,處理得到的標本進行石蠟固定切片,免疫組化技術(shù)檢測wIDH1、mIDH1及空載體對照基因?qū)δz質(zhì)瘤MMP-2及MMP-9表達水平的影響(見圖6)。根據(jù)免疫組化結(jié)果判定標準,裸鼠移植瘤模型中免疫組化檢測到mIDH1組中MMP-2、MMP-9表達水平較低,免疫組化染色積分為2.6±1.2和2.2±0.8,而空載體對照組中,免疫組化染色積分為7.2±2.4和5.4±1.2,二者比較差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。而在wIDH1組中MMP-2、MMP-9表達水平均較高,免疫組化染色積分為8.4±2.8和7.0±1.2,與對照組比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。提示體內(nèi)試驗中mIDH1影響膠質(zhì)瘤細胞的MMP-2、MMP-9表達水平,產(chǎn)生表達下調(diào)作用,從而降低膠質(zhì)瘤的侵襲能力;而wIDH1組對MMP-2、MMP-9表達無明顯上調(diào)。
圖6 裸鼠移植瘤中MMP-2、MMP-9免疫組化表達水平 (×100)Figure 6 MMP-2/MMP-9 immunohistochemical expression in nude mice xenograft tumor model (×100)
膠質(zhì)瘤的惡性生物學行為是一個多因素多階段相關(guān)的事件,瘤細胞的遷移與侵襲能力是評估腫瘤細胞惡性行為的一個重要指標,也是影響患者預(yù)后的一個重要因素[7,8]。腫瘤細胞的遷移、侵襲過程包括局部黏附定植、局部細胞外基質(zhì)的溶解重塑、細胞游走遷移三個重要過程,瘤細胞受到趨化因素的誘導進行遷移游走,又在鈣黏素等黏附分子的介導下,在組織局部定植黏附下來。之后,腫瘤細胞分泌出水解酶,水解破壞細胞之間的基質(zhì),破壞細胞之間的基質(zhì)連接,突破細胞基底膜,達到侵襲的目的?;|(zhì)金屬蛋白酶是一個龐大的蛋白水解酶超家族,每種基質(zhì)金屬蛋白酶能水解至少一種細胞外基質(zhì),為腫瘤細胞的侵襲遷移提供支持。尤其關(guān)于MMP-2、MMP-9在膠質(zhì)瘤中的相關(guān)研究,更是顯示了其表達水平與患者預(yù)后的相關(guān)性,成為膠質(zhì)瘤侵襲能力的預(yù)測指標。
本研究中,劃痕愈傷實驗顯示了細胞遷移和增殖能力方面的差異,培養(yǎng)瓶內(nèi)的細胞基本為單層生長或復(fù)層生長,如果細胞厚度增加,將導致片狀脫離瓶壁,因而僅僅靠細胞的增殖堆積能力來完成培養(yǎng)瓶底壁上的劃痕愈傷修復(fù)是不現(xiàn)實的,細胞必須要有一定的運動遷移能力,故而遷移能力可能是起主導作用的因素。盡管這是一個反映增殖與運動遷移綜合作用的實驗,但是我們?nèi)匀徊浑y看出,mIDH1過表達細胞及空載體對照組的遷移能力要低于wIDH1過表達組,而wIDH1過表達細胞的增殖遷移能力似乎高于空載體對照組細胞。因而,IDH1基因可能起到促細胞增殖遷移的作用。Transwell實驗中觀察到穿過Matrigel基質(zhì)膠的細胞數(shù)存在差異,從統(tǒng)計學分析穿膜細胞數(shù)的差異可以得出,mIDH1低于對照組和wIDH1過表達組,而對照組與wIDH1過表達細胞組之間的差異并無統(tǒng)計學意義。因而我們分析,IDH1的基因突變可能導致了腫瘤細胞侵襲能力的改變,準確地說是降低了細胞的侵襲能力,而wIDH1過表達組與空載體對照組之間的結(jié)果相似性提示我們,IDH1基因過表達并不直接導致細胞侵襲能力提升。
當然,腫瘤患者的預(yù)后是一個多因素相關(guān)事件,其中腫瘤侵襲性是一個不可忽視的因素,尤其在膠質(zhì)瘤患者中。因中樞神經(jīng)系統(tǒng)缺乏淋巴系統(tǒng),再加上血腦屏障的存在,膠質(zhì)瘤的血行轉(zhuǎn)移與淋巴轉(zhuǎn)移罕見。對于膠質(zhì)瘤患者,腫瘤浸潤性生長是其大的特性。以MMP-2、MMP-9為代表的基質(zhì)金屬蛋白酶家族是一個蛋白水解酶超家族,在腫瘤的侵襲過程中發(fā)揮著重要的作用,它可以降解細胞外基質(zhì),促成膠質(zhì)瘤細胞的遷移,并促進新生血管的形成,通過重塑細胞外基質(zhì)增加細胞的浸潤潛能[9,10]。目前,在許多人類腫瘤中都檢測到了基質(zhì)金屬蛋白酶的表達,并且發(fā)現(xiàn)它與腫瘤的進展及患者的預(yù)后有較為密切的關(guān)系[11-13]。因而考慮,在膠質(zhì)瘤患者中,IDH1攜帶者的相對良好預(yù)后是否來源于其腫瘤侵襲能力的下降,基于此假設(shè),對mIDH1和wIDHI1穩(wěn)定表達膠質(zhì)瘤細胞中的MMP-2、MMP-9水平進行了檢測。
在本實驗研究中,檢測到基因突變組過表達細胞系的MMP-2、MMP-9蛋白表達水平較低,也就意味著突變的膠質(zhì)瘤細胞與對照組及野生型IDH1過表達組相比,有著相對較低的細胞浸潤能力,這也正好與Transwell實驗中的結(jié)果相互印證。當然,不能單從細胞侵襲能力來將突變的IDH1基因看做腫瘤基因,低表達的MMP-2、MMP-9水平對應(yīng)的低侵襲能力告訴我們顯示,這與mIDH1膠質(zhì)瘤患者相對良好的預(yù)后相一致。鑒于IDH1突變型膠質(zhì)瘤細胞的浸潤能力較低,不能輕而易舉地降解各種細胞外基質(zhì)成分,在自然狀態(tài)下,其浸潤速度應(yīng)慢于同級別野生型膠質(zhì)瘤細胞,故而有相對良好的預(yù)后。
總之,腫瘤的發(fā)生發(fā)展是一個多因素參與的過程,但mIDH1通過降低MMP-2、MMP-9的表達水平從而降低膠質(zhì)瘤細胞的侵襲遷移能力已被該研究證實,這為我們深入探討膠質(zhì)瘤的治療方法提供了一個新的思路,為膠質(zhì)瘤的個體化治療乃至靶向治療提供了新的基礎(chǔ)理論支持。