王淑梅,張?zhí)m威*,張莉麗,張 爽,易華西
(1.哈爾濱學(xué)院 食品工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150086;2.中國海洋大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266100;3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150030)
益生菌是生活在機(jī)體內(nèi)并且有益于宿主健康的一類活的微生物,通常指具有高選擇性的乳酸菌,其通過菌體細(xì)胞各組分發(fā)揮功能作用,如細(xì)胞壁、細(xì)胞質(zhì)、菌體肽聚糖和菌體脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)等[1-2],其中最常見的是乳酸桿菌(Lactobacillus)和雙歧桿菌(Bifidobacterium)。目前,關(guān)于乳酸菌提高人體免疫功能[3]、抗腫瘤及抑菌作用[4-5]的研究已有相關(guān)報(bào)道。隨著對(duì)乳酸菌研究的不斷深入,各種功能性乳酸菌新品種相繼涌現(xiàn)。
目前,功能性乳酸菌的篩選方法主要有3-(4,5-二甲基噻唑-2)-2,5-二苯基四氮唑溴鹽(3-(4,5-dimethyl-2-thiazolyl)-2,5-diphenyl-2-H-tetrazolium bromide,MTT)。如采用MTT試驗(yàn)篩選具有抑制癌細(xì)胞增殖作用的菌株KFRI342細(xì)胞質(zhì)[6];具有抑制人結(jié)腸癌細(xì)胞系HT-29細(xì)胞、Caco-2細(xì)胞和SW480細(xì)胞增殖作用的青春雙歧桿菌(Bifidobacterium adolescentis)SPM0212丁醇提取物[7];具有抑制人早幼粒急性白血病細(xì)胞HL-60生長(zhǎng)與增殖作用的植物乳桿菌(Lactococcus plantarum)培養(yǎng)上清液[8];具有抑制胃癌細(xì)胞和結(jié)腸癌細(xì)胞增殖作用的熱致死菌體細(xì)胞、細(xì)胞質(zhì)和菌體肽聚糖[9]。同樣,也有研究者采用MTT試驗(yàn)篩選出具有抑制結(jié)腸癌細(xì)胞系SNUC2A和胃癌細(xì)胞SNU-1增殖作用的乳酸乳球菌(Lactococcus lactisssp.lactis)細(xì)胞質(zhì)[10-11],并通過形態(tài)學(xué)4',6-二脒基-2-苯基吲哚(4',6-diamidino-2-phenylindole,DAPI)染色和DNA損傷試驗(yàn)證實(shí)其可誘導(dǎo)胃癌細(xì)胞SNU-1的凋亡[12]。
課題組前期從中國西部傳統(tǒng)發(fā)酵食品中分離并篩選出4株具有潛在抗結(jié)腸癌功效的乳酸菌X11、X12、M5和K14[13]。本研究以這4株菌為研究對(duì)象,分離其細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)。首先通過MTT法初步篩選具有抑制HT-29細(xì)胞增殖能力的成分,再通過研究分離成分對(duì)人結(jié)腸癌細(xì)胞系HT-29細(xì)胞的DNA損傷、細(xì)胞凋亡及周期的影響,最終獲得具有抗結(jié)腸癌作用乳酸菌成分,為進(jìn)一步明確乳酸菌在抑制結(jié)腸癌過程中發(fā)揮的作用提供理論依據(jù)。
1.1.1 菌株及細(xì)胞
人結(jié)腸癌細(xì)胞系HT-29:中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤研究所;干酪乳桿菌(Lactobacillus casei)X11、副干酪乳桿菌(Lactobacillus paracasei susbp.paracasei)X12:來源于新疆乳酪;L.caseiK14:來源于西藏酸乳酒;L.paracaseisubsp.paracasei M5:來源于新疆馬奶酒。以上乳酸菌保存于哈爾濱工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室。鼠李糖乳桿菌(Lactobacillus rhamnosus)GG ATCC 43121(LGG):美國模式菌種收集中心(American type culture collection,ATCC)。
1.1.2 試劑
RPMI 1640培養(yǎng)基、胰酶消化液、二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide,DMSO):美國Corning公司;噻唑藍(lán)(MTT):美國Sigma-Aldrich公司;Annexin V-FITC試劑盒、細(xì)胞DNA提取試劑盒:美國BD公司;胎牛血清:杭州四季青有限公司;PI染色液:北京Solarbio公司。
Universal Hood II凝膠成像系統(tǒng)、Bio-Rad-500酶標(biāo)儀:美國Bio-Rad公司;FACS Calibur流式細(xì)胞儀:美國R&D System公司;HEPA1100二氧化碳培養(yǎng)箱、ULT-1386-3-V超低溫冰箱:美國Thermo Electron公司;CX31電子顯微鏡:日本Olympus公司。
1.3.1 乳酸菌細(xì)胞壁及細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)含量的檢測(cè)
以菌株LGG為陽性對(duì)照,參照AMROUCHE T等[3-4]的方法分離4株乳酸菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì),并采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定細(xì)胞壁及細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)含量[14]。
1.3.2 細(xì)胞毒性的檢測(cè)
首先采用MTT實(shí)驗(yàn)測(cè)定乳酸菌的細(xì)胞壁及細(xì)胞質(zhì)對(duì)HT-29細(xì)胞的抑制效果,具體方法如下:調(diào)整HT-29細(xì)胞濃度為1×105個(gè)/mL,取100 μL接種于96孔培養(yǎng)板中,待細(xì)胞完全貼壁,加入乳酸菌X11、X12、M5和K14細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì),使各實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)終質(zhì)量濃度為10 μg/mL、20 μg/mL、40 μg/mL、80 μg/mL、160 μg/mL[15]。將96孔培養(yǎng)板置于CO2培養(yǎng)箱(37℃,5%CO2,95%空氣,100%濕度)中培養(yǎng)48h。當(dāng)培養(yǎng)44h時(shí),加入10μLMTT,再繼續(xù)培養(yǎng)4h[16],吸出液體,加入150 μL DMSO[17]。以只加RPMI 1640培養(yǎng)液的細(xì)胞為陰性對(duì)照,采用酶標(biāo)儀測(cè)定細(xì)胞在波長(zhǎng)490 nm處的吸光度值(OD490nm值)。計(jì)算乳酸菌細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)對(duì)HT-29細(xì)胞抑制率,其計(jì)算公式如下:
然后采用改良寇式法[9]計(jì)算細(xì)胞壁及細(xì)胞質(zhì)對(duì)HT-29細(xì)胞的半抑制濃度(half maximal inhibitory concentration,IC50),利用IC50值分析乳酸菌細(xì)胞壁及細(xì)胞質(zhì)對(duì)HT-29細(xì)胞的作用大小[18]。
1.3.3 乳酸菌細(xì)胞壁及細(xì)胞質(zhì)對(duì)HT-29細(xì)胞DNA損傷的檢測(cè)
調(diào)整HT-29細(xì)胞濃度為5×105個(gè)/mL,加入6孔組織培養(yǎng)板中,每孔2 mL。待細(xì)胞完全貼壁后加入乳酸菌細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì),使其蛋白質(zhì)終含量為80 μg/mL,將6孔組織培養(yǎng)板置于CO2培養(yǎng)箱(37℃,5%CO2,95%空氣,100%濕度)中培養(yǎng)48 h。培養(yǎng)結(jié)束后,用預(yù)冷的磷酸鹽緩沖溶液(phosphate buffer saline,PBS)沖洗細(xì)胞,加入0.25%的胰酶和乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid,EDTA)混合液2mL,置于CO2培養(yǎng)箱(37℃,5%CO2,95%空氣,100%濕度)中消化1~2 min。1 000×g離心5 min,收集細(xì)胞,再用預(yù)冷PBS溶液清洗細(xì)胞2次。采用細(xì)胞DNA提取試劑盒提取細(xì)胞DNA,采用1.8%瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳檢測(cè)[19]。
1.3.4 HT-29細(xì)胞凋亡及壞死檢測(cè)
采用Annexin V-FITC/PI細(xì)胞凋亡檢測(cè)試劑盒檢測(cè)HT-29細(xì)胞的凋亡及壞死情況[20-21]。
1.3.5 HT-29細(xì)胞周期的測(cè)定
采用流式細(xì)胞儀進(jìn)行細(xì)胞周期分析[22]。
1.3.6 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析
實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,通過SAS 9.1軟件進(jìn)行方差分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(X±SD)的方式表示,顯著性水平設(shè)定為P<0.05。
以牛血清蛋白質(zhì)量濃度(X)為橫坐標(biāo),OD595nm值(Y)為縱坐標(biāo)繪制牛血清蛋白標(biāo)準(zhǔn)曲線,通過線性擬合得到標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為:Y=0.006 3X,相關(guān)系數(shù)R2=0.996,說明OD595nm值與牛血清蛋白質(zhì)量濃度線性關(guān)系良好。乳酸菌細(xì)胞壁及細(xì)胞質(zhì)蛋白含量的測(cè)定結(jié)果見表1。
由表1可知,乳酸菌細(xì)胞壁及細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)含量為244.31~1 557.14 μg/mL,4株乳酸菌細(xì)胞壁及細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)含量與陽性對(duì)照LGG差異顯著(P<0.05)。其中,副干酪乳桿菌M5細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞壁中的蛋白質(zhì)含量較高,分別為976.19 μg/mL,907.62 μg/mL;乳酸菌K14細(xì)胞壁中的蛋白質(zhì)含量(1 144.44 μg/mL)僅低于陽性對(duì)照組LGG細(xì)胞質(zhì);而乳酸菌K14、X12、X11細(xì)胞質(zhì)中的蛋白含量均處于較低水平,分別為246.88 μg/mL、247.33 μg/mL、244.3 μg/mL。結(jié)果表明,同種菌屬不同菌株之間細(xì)胞成分中的蛋白質(zhì)含量不同。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)抑癌研究。
表1 乳酸菌細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)含量Table 1 Protein content in the cell wall and cytoplasm of lactic acid bacteria
表2 乳酸菌細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)對(duì)HT-29細(xì)胞的半抑制濃度值Table 2 Half maximal inhibitory concentration value of lactic acid bacteria cell wall and cytoplasm on HT-29 cells
由表2可知,乳酸菌M5和K14的細(xì)胞壁及細(xì)胞質(zhì)、乳酸菌X12和X11的細(xì)胞壁對(duì)HT-29細(xì)胞的IC50值均顯著低于陽性對(duì)照組LGG細(xì)胞壁(109.74 μg/mL)及細(xì)胞質(zhì)(102.32 μg/mL)(P<0.05),其中,乳酸菌X11細(xì)胞壁對(duì)HT-29細(xì)胞的IC50值(55.31 μg/mL)最低,抑制效果最好。而乳酸菌X12和X11細(xì)胞質(zhì)對(duì)HT-29細(xì)胞的IC50值顯著高于陽性對(duì)照組LGG細(xì)胞質(zhì),分別為135.25 μg/mL、124.80 μg/mL(P<0.05),抑制效果最差。
由于含80 μg/mL蛋白質(zhì)的乳酸菌細(xì)胞壁或細(xì)胞質(zhì)持續(xù)作用于HT-29細(xì)胞48 h后,便可達(dá)到抑制HT-29細(xì)胞的作用,因此,本實(shí)驗(yàn)選用含80 μg/mL蛋白質(zhì)的細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)對(duì)HT-29細(xì)胞進(jìn)行處理。細(xì)胞DNA降解是細(xì)胞凋亡的晚期階段主要特征之一,在細(xì)胞凋亡后期,細(xì)胞DNA降解成小分子片段[23-24],采用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)乳酸菌細(xì)胞壁及細(xì)胞質(zhì)對(duì)HT-29細(xì)胞DNA的作用,結(jié)果見圖1。
由圖1可知,乳酸菌細(xì)胞壁及細(xì)胞質(zhì)持續(xù)作用于HT-29細(xì)胞48h后,細(xì)胞DNA出現(xiàn)彌散拖尾形態(tài),但沒有產(chǎn)生明顯的DNA小分子片段。DNA損傷是細(xì)胞發(fā)生凋亡的一項(xiàng)重要標(biāo)志[21],有研究顯示[22],乳酸菌可通過誘導(dǎo)結(jié)腸癌細(xì)胞DNA損傷而實(shí)現(xiàn)其抗結(jié)腸癌功能,如嗜酸乳桿菌(Lactobacillus acidophilus)606可溶性胞外多糖通過誘導(dǎo)HT-29細(xì)胞DNA損傷而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[23]。
圖1 乳酸菌細(xì)胞壁(a)及細(xì)胞質(zhì)(b)處理HT-29細(xì)胞后的DNA瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果Fig.1 Agarose gel electrophoresis results of DNA of HT-29 cells after treated with lactic acid bacteria cell wall(a)and cytoplasm(b)
表3 乳酸菌細(xì)胞壁及細(xì)胞質(zhì)對(duì)HT-29細(xì)胞的影響Table 3 Effect of lactic acid bacteria cell wall and cytoplasm on HT-29 cells
由表3可知,與陽性對(duì)照組LGG細(xì)胞壁相比,乳酸菌X12、K14細(xì)胞壁顯著促進(jìn)HT-29細(xì)胞的死亡(P<0.05),使HT-29細(xì)胞早期凋亡細(xì)胞數(shù)分別提高72.38%、65.03%,壞死細(xì)胞數(shù)分別提高63.13%、1.69%,晚期凋亡細(xì)胞數(shù)分別提高127.18%、92.22%;乳酸菌M5細(xì)胞壁顯著促進(jìn)HT-29細(xì)胞的壞死及晚期凋亡(P<0.05),使壞死細(xì)胞數(shù)提高65.59%,晚期凋亡細(xì)胞數(shù)提高137.14%。與陽性對(duì)照LGG細(xì)胞質(zhì)相比,乳酸菌M5細(xì)胞質(zhì)使HT-29細(xì)胞的早期凋亡細(xì)胞數(shù)提高96.16%,壞死細(xì)胞數(shù)提高7.31%,晚期凋亡細(xì)胞數(shù)提高20.08%。而乳酸菌X11細(xì)胞壁和K14細(xì)胞質(zhì)作用HT-29細(xì)胞48 h,早期凋亡、晚期凋亡和壞死細(xì)胞數(shù)均低于陽性對(duì)照組LGG。結(jié)果表明,乳酸菌X12、M5和K14細(xì)胞壁對(duì)HT-29細(xì)胞死亡具有顯著的誘導(dǎo)作用。為確認(rèn)乳酸菌X12、M5和K14細(xì)胞壁對(duì)HT-29細(xì)胞凋亡的誘導(dǎo),進(jìn)一步研究乳酸菌X12、M5和K14細(xì)胞壁對(duì)HT-29細(xì)胞周期的影響。
細(xì)胞周期分為DNA合成前期(G1期)、DNA合成期(S期)、DNA合成后期(G2期)和細(xì)胞分裂期(M期)4個(gè)周期。乳桿菌X12、M5和K14細(xì)胞壁作用HT-29細(xì)胞后,其細(xì)胞周期變化情況見表4。
表4 乳酸菌細(xì)胞壁對(duì)HT-29細(xì)胞周期的影響Table 4 Effect of lactic acid bacteria cell wall on HT-29 cells cycle
本研究中細(xì)胞周期阻滯實(shí)驗(yàn)均與對(duì)照組Control進(jìn)行比較。相對(duì)于Control(G1期為70.11%),M5和X12細(xì)胞壁處理HT-29細(xì)胞后G1期顯著提高了(分別為76.06%和83.52%),同時(shí)M5的S期也顯著增高了(為22.92%),因此初步認(rèn)為M5和X12細(xì)胞壁將HT-29細(xì)胞周期阻滯在了G1期。相對(duì)于Control(S期為10.84%),K14細(xì)胞壁處理HT-29細(xì)胞S期顯著提高了(26.25%)。因此初步認(rèn)為菌株K14細(xì)胞壁將HT-29細(xì)胞阻滯在了S期。通過本研究發(fā)現(xiàn),乳酸菌X12、M5和K14細(xì)胞壁抑制HT-29細(xì)胞的增殖,并誘發(fā)癌細(xì)胞的凋亡,這一過程是通過調(diào)控癌細(xì)胞周期而實(shí)現(xiàn)。
本研究以鼠李糖乳桿菌LGG為陽性對(duì)照,研究4株乳酸菌X11、X12、M5和K14細(xì)胞壁、細(xì)胞質(zhì)對(duì)人結(jié)腸癌細(xì)胞系HT-29細(xì)胞毒性、DNA損傷、細(xì)胞死亡及細(xì)胞周期的影響,篩選具有抗結(jié)腸癌作用的有效成分。結(jié)果表明,與陽性對(duì)照LGG相比,乳酸菌X11、X12、M5、K14細(xì)胞壁和乳酸菌M5、K14細(xì)胞質(zhì)對(duì)HT-29細(xì)胞增殖能力有顯著的抑制作用(P<0.05);HT-29細(xì)胞經(jīng)乳酸菌細(xì)胞壁或細(xì)胞質(zhì)(蛋白質(zhì)含量為80 μg/mL)處理48 h后,細(xì)胞DNA出現(xiàn)了明顯的彌散拖尾形態(tài);乳酸菌X12、M5和K14細(xì)胞壁對(duì)HT-29細(xì)胞死亡具有顯著的誘導(dǎo)作用,并調(diào)控癌細(xì)胞的周期分布。通過以上篩選模式最終獲得乳酸菌X12、M5和K14的細(xì)胞壁成分具有抗結(jié)腸癌效果,為后續(xù)其對(duì)結(jié)腸癌HT-29細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制的研究奠定了基礎(chǔ)。