儲(chǔ) 娜,張 璇,陳思遠(yuǎn),甄 泉,王 允
蚌埠醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院,安徽 蚌埠233000
近年來,隨著各種工業(yè)廢物排放量的增加,以及化肥和農(nóng)藥的廣泛使用,空氣、水和土壤等環(huán)境污染問題層出不窮。鎘(Cd)是廣泛存在于環(huán)境中的一種有毒重金屬,可通過多種途徑進(jìn)入人體,并蓄積于人體的肺、肝臟和腎臟等組織和器官,在體內(nèi)的生物半衰期長達(dá)15~30年[1]。吸煙和鎘污染的室內(nèi)可吸入顆粒物吸入是人類接觸鎘的主要途徑之一,吸入的鎘主要經(jīng)肺吸收,肺組織更易受到含鎘氣溶膠的損害[2]。鎘暴露可誘導(dǎo)小鼠肺炎癥發(fā)生,誘導(dǎo)大鼠肺原代細(xì)胞炎癥細(xì)胞因子IL-6和IL-8分泌的增加[3-4]。鎘在肺組織的蓄積可導(dǎo)致多種具有慢性炎癥特征的肺部疾病的發(fā)生,如慢性阻塞性肺病、肺氣腫和肺癌等[5-7]。
目前,對(duì)于鎘中毒的處理主要是采用螯合療法,但是螯合劑本身存在一些安全性和有效性問題,對(duì)機(jī)體的副作用大[8]。尋找預(yù)防鎘中毒的方法以大幅度降低鎘中毒的發(fā)生率成為迫切需要解決的一個(gè)問題。天然植物因其所具有的高效、低毒和易得性成為近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)。有人嘗試用從植物中提取得到的天然活性成分對(duì)鎘暴露引起的肺部損傷進(jìn)行預(yù)防。如姜黃素可阻止鎘誘導(dǎo)的人體氣道上皮HBE細(xì)胞IL-6和IL-8的分泌,預(yù)防鎘吸入引起的氣道炎癥的發(fā)生[9]。葫蘆巴葉提取物可以保護(hù)大鼠肝上皮細(xì)胞免受鎘誘導(dǎo)的損傷[10]。水飛薊素可以改善小鼠體內(nèi)鎘誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激,并且增強(qiáng)小鼠的抗氧化防御能力[11]。適量添加維生素C可對(duì)大鼠鎘暴露所致的肺組織損傷產(chǎn)生較強(qiáng)的保護(hù)作用[12]。適量攝入具有抗炎、抗凋亡、抗癌活性的天然植物活性成分預(yù)防鎘誘導(dǎo)的肺部損傷的發(fā)生發(fā)展將是一個(gè)可行的策略。
木犀草素(LUT)是一種黃酮類化合物,廣泛存在于藥用植物、蔬菜和水果中,比如金銀花、菊花、芹菜、花椰菜、卷心菜、胡蘿卜和石榴等,具有抗氧化、抗癌、抗炎、抗凋亡和神經(jīng)保護(hù)等多種藥理作用[13-16],多用于心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和癌癥等疾病的治療,應(yīng)用前景廣闊[17-18]。有研究顯示,木犀草素可減輕過氧化氫誘導(dǎo)的PC12細(xì)胞活力喪失、氧化應(yīng)激增加和細(xì)胞凋亡[19],緩解LPS誘導(dǎo)的小鼠支氣管肺炎損傷[20],顯著下調(diào)包括鎘在內(nèi)的重金屬混合物所誘導(dǎo)的HL7702肝細(xì)胞的死亡[21]?;诖?LUT干預(yù)應(yīng)該能夠用來預(yù)防鎘暴露引起的肺部損傷,但用LUT干預(yù)預(yù)防鎘暴露所致肺損傷的研究至今還未見報(bào)道。因此,本研究以永生化的人肺上皮Beas-2B細(xì)胞為研究對(duì)象,觀察LUT干預(yù)在鎘暴露誘導(dǎo)的肺細(xì)胞損傷中發(fā)揮的作用,并對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行初步分析,為研發(fā)安全可靠的防治鎘致肺損傷的方法提供一定的理論依據(jù)。
永生化人支氣管肺上皮Beas-2B細(xì)胞株(ATCC);6 孔、96 孔細(xì)胞培養(yǎng)板和10 cm 細(xì)胞培養(yǎng)皿(Corning Costar)。DMEM 細(xì)胞培養(yǎng)基(Gibco)和胎牛血清(Clark)。木犀草素和氯化鎘(sigma)。MTT和DMSO(Solarbio)。乳酸脫氫酶(LDH)測(cè)定試劑盒(建成生物)?;钚匝鯔z測(cè)試劑盒、總SOD 活性檢測(cè)試劑盒(WST-8 法)、GSH 和GSSG 檢測(cè)試劑盒、脂質(zhì)氧化(MDA)檢測(cè)試劑盒和細(xì)胞凋亡-Hoechst 染色試劑盒(碧云天)。單克隆抗體Akt 和p-Akt(CST);Nrf2(abcam);β-actin(proteintech);辣根過氧化物酶(HRP)耦聯(lián)的羊抗兔IgG和羊抗鼠IgG二抗(CST)。Western及IP細(xì)胞裂解液、苯甲基磺酰氟(PMSF)、BCA蛋白濃度測(cè)定試劑盒和超特敏ECL化學(xué)發(fā)光試劑盒(碧云天)。
Beas-2B 細(xì)胞在37 ℃,5%CO2條件下,用含5%胎牛血清+1%抗生素(100 U/mL青霉素+100μg/mL鏈霉素)的DMEM培養(yǎng)基培養(yǎng)。
將處于對(duì)數(shù)生長期的細(xì)胞接種于96 孔板中(3×104/mL),培養(yǎng)24 h 后,用不同濃度的鎘(0、1.25、2.5、5、10、20和40μmol/L)和LUT(0、10、20、40、80和160 μmol/L)處理24h,或用不同濃度的木犀草素(0、0.25、0.5和0.75μmol/L)和/或5μmol/L的鎘處理24 h,每個(gè)濃度設(shè)6個(gè)平行孔。終止培養(yǎng)前每孔加入10 μL MTT溶液(5 mg/mL),繼續(xù)培養(yǎng)4 h后吸去上清液,每孔加入100 μL DMSO,于漩渦振蕩器上振搖10 min,用酶標(biāo)儀測(cè)量490 nm波長處的吸光度(A)值,并計(jì)算各處理組細(xì)胞的相對(duì)存活率。細(xì)胞相對(duì)存活率=實(shí)驗(yàn)組A值/對(duì)照組A值×100%[22]。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。
取對(duì)數(shù)生長期細(xì)胞接種于96 孔板中(3×104/mL),培養(yǎng)24 h 后,用 不 同濃 度的LUT(0、0.25、0.5 和0.75μmol/L)和/或5μmol/L鎘處理24 h。收集各處理組細(xì)胞的上清,按LD-L微板法進(jìn)行乳酸脫氫酶(LDH)活性檢測(cè)。
取對(duì)數(shù)生長期細(xì)胞接種于6孔板中(1×106/mL),培養(yǎng)過夜,待細(xì)胞貼壁,用不同濃度的LUT(0、0.25、0.5和0.75μmol/L)和/或5μmol/L的鎘處理24 h。棄去原培養(yǎng)液,每孔加入1 mL固定液固定10 min;棄去固定液,每孔加入1 mL Hoechst 33258染色液染色5 min,于倒置熒光顯微鏡下以40倍鏡觀察各處理組細(xì)胞細(xì)胞核染色情況并拍照。
將處于對(duì)數(shù)生長期的細(xì)胞接種于6 孔板中(1×106/mL),培養(yǎng)24 h后,用不同濃度的木犀草素(0、0.25、0.5 和0.75 μmol/L)和/或5 μmol/L 鎘處理24 h。用DCFH-DA法測(cè)定細(xì)胞中的ROS。即去除細(xì)胞培養(yǎng)液,每孔加入1 mL稀釋好的DCFH-DA(1 μL DCFH-DA:1000 μL無血清培養(yǎng)液),37 ℃細(xì)胞培養(yǎng)箱內(nèi)孵育20 min;用無血清細(xì)胞培養(yǎng)液洗滌細(xì)胞3 次,胰酶消化,收集各處理組細(xì)胞,300目篩網(wǎng)過濾后于流式細(xì)胞儀處檢測(cè)ROS。
將處于對(duì)數(shù)生長期的細(xì)胞接種于6 孔板中(1×106/mL),培養(yǎng)24 h后,用不同濃度的木犀草素(0、0.25、0.5和0.75μmol/L)和/或5μmol/L鎘處理24 h。分別用WST-8法、DTNB法和TBA法測(cè)定各處理組細(xì)胞中超氧化物歧化酶(SOD)、還原型谷胱甘肽(GSH)和丙二醛(MDA)的水平。
將處于對(duì)數(shù)生長期的細(xì)胞以合適密度接種于10 cm培養(yǎng)皿中,培養(yǎng)24 h后,用不同濃度的LUT(0、0.25、0.5和0.75μmol/L)和/或5μmol/L鎘處理24 h。棄去原培養(yǎng)液,PBS清洗2遍,加入適量冰上溶解的混有PMSF的Western 及IP細(xì)胞裂解液(1∶10),用細(xì)胞刮刀收集各處理組細(xì)胞,冰上裂解30 min,4 ℃,12 000 r/min 離心,30 min。取上清液,用BCA蛋白定量法測(cè)定各處理組蛋白的濃度。每泳道取40 μg總蛋白上樣,經(jīng)10%的SDSPAGE凝膠垂直電泳分離蛋白,然后將其轉(zhuǎn)移到PVDF膜上。封閉液室溫封閉2 h 后,將膜用Akt(1∶1000)、p-Akt(1∶1000)、Nrf2(1∶500)和β-actin(1∶20 000)抗體4 ℃孵育過夜。TBST充分洗膜后,用HRP標(biāo)記的羊抗兔IgG和羊抗鼠IgG二抗(1∶2000)室溫孵育1 h,TBST充分洗膜后用化學(xué)發(fā)光儀器(BioRad)曝光并拍照,實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。條帶灰度值用Image J軟件分析。
采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,組間比較采用單因素方差分析,兩兩比較用LSD法,以P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
同對(duì)照組相比,5μmol/L及以上濃度的鎘顯著降低了細(xì)胞存活率(5 μmol/L 處理組P=0.003,10、20、40 μmol/L 處理組均P<0.001,圖1A),且呈濃度依賴性。鎘作用于Beas-2B細(xì)胞24 h的半數(shù)抑制濃度(IC50)為24.6μmol/L。Beas-2B細(xì)胞對(duì)LUT的毒性不敏感,同對(duì)照組相比,0~80μmol/L LUT單獨(dú)處理Beas-2B細(xì)胞24 h不影響細(xì)胞活力(P>0.05,圖1B)。用不同濃度的LUT(0.25、0.5和0.75μmol/L)同鎘(5μmol/L)共同處理Beas-2B細(xì)胞24 h,同對(duì)照組相比,鎘處理組細(xì)胞存活率明顯下降(P<0.001)。與鎘處理組相比,LUT干預(yù)組(LUT同鎘共同處理組)的細(xì)胞活力得到提升,分別提高了(1.9±3.2)%、(4.8±3.7)%和(3.6±2.2)%,表明LUT干預(yù)可以減輕鎘對(duì)Beas-2B細(xì)胞活性的抑制(圖1C)。
圖1 鎘和LUT對(duì)Beas-2B細(xì)胞活性的影響Fig.1 The effect of Cd and luteolin(LUT)on viability of Beas-2B cells.A:Effect of different concentrations of Cd on Beas-2B cell viability;B:Effect of different concentrations of LUT on Beas-2B cell viability;C:Effect of Cd and LUT,alone or in combination,on Beas-2B cell viability.**P<0.01,***P<0.001 vs control group,#P<0.05 vs Cd group.
同對(duì)照組相比,鎘處理組細(xì)胞LDH活性明顯升高(P<0.001),而LUT單獨(dú)處理組細(xì)胞的LDH活性相對(duì)較低(P<0.001)。與鎘處理組相比,LUT干預(yù)組細(xì)胞LDH活性顯著下降(P<0.001,圖2)。
圖2 Luteolin對(duì)鎘誘導(dǎo)Beas-2B細(xì)胞LDH活性的影響Fig.2 Effect of Luteolin and/ or Cd on LDH activity in Beas-2B cells.***P<0.001 vs control group,###P<0.001 vs Cd group.
經(jīng)Hoechst 33258染色后,對(duì)照組(圖3A)細(xì)胞形態(tài)完整,細(xì)胞核被染成均一的淡藍(lán)色。與對(duì)照組相比,鎘處理組(圖3E)細(xì)胞核被染為亮藍(lán)色,出現(xiàn)了新月形的細(xì)胞核,并且伴隨有細(xì)胞核固縮、碎裂,染色質(zhì)凝聚的現(xiàn)象;而單獨(dú)用LUT處理組(圖3B~D)細(xì)胞核形態(tài)未見改變。與鎘處理組相比,LUT干預(yù)組內(nèi)(圖3F~H)細(xì)胞核形態(tài)改變情況得到了不同程度的改善,且細(xì)胞核固縮和染色質(zhì)凝聚的現(xiàn)象隨著LUT濃度的增加明顯減少。
圖3 Luteolin對(duì)鎘誘導(dǎo)Beas-2B細(xì)胞凋亡的影響Fig.3 Effect of Luteolin and/ or Cd on apoptosis of Beas-2B cells (Original magnification:×400).A:control group;B:0.25 μmol/L Luteolin group;C:0.5μmol/L Luteolin group;D:0.75μmol/L Luteolin group;E:5μmol/L Cd group;F:0.25μmol/L Luteolin+5μmol/L Cd group;G:0.5μmol/LLuteolin+5μmol/LCd group;H:0.75μmol/LLuteolin+5μmol/LCd group.White arrow:Nucleus pycnosis.
數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖4B 所示,與對(duì)照組相比,0.75μmol/L LUT處理組細(xì)胞內(nèi)ROS水平略有上升(P=0.003),鎘處理組細(xì)胞內(nèi)ROS水平顯著升高(P<0.001)。與鎘處理組相比,LUT 干預(yù)組內(nèi)ROS 水平明顯下降(P<0.001)。
圖4 Luteolin對(duì)鎘誘導(dǎo)Beas-2B細(xì)胞ROS的影響Fig.4 Effect of Luteolin and/or Cd on ROS content in Beas-2B cells measured by DCFH-DA.***P<0.001 vs control group,**P<0.01 vs control group,###P<0.001 vs Cd group.
鎘處理組細(xì)胞SOD活性和GSH水平明顯低于對(duì)照組(P=0.008,P=0.009),MDA水平明顯高于對(duì)照組(P<0.001);LUT單獨(dú)處理組細(xì)胞SOD活性有上升的趨勢(shì)(P=0.03,P<0.001,P=0.04),GSH水平顯著升高(P=0.001,P<0.001,P=0.004)。同鎘處理組相比,LUT干預(yù)組細(xì)胞內(nèi)SOD活性和GSH水平均明顯增高(SOD:P<0.001,P=0.002,P=0.02;GSH:P=0.02,P=0.003,P<0.001),MDA水平顯著下降(P<0.001)。
圖5 Luteolin對(duì)鎘誘導(dǎo)Beas-2B細(xì)胞抗氧化物質(zhì)的影響Fig.5 Effect of Luteolin and/ or Cd on SOD activity (A),GSH content (B) and MDA level(C)in Beas-2B cells.*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001 vs control group,#P<0.05,##P<0.01,###P<0.001 vs Cd group.
鎘和LUT處理Beas-2B細(xì)胞可以引起胞內(nèi)p-Akt和Nrf2蛋白表達(dá)水平發(fā)生改變。如圖6所示,同對(duì)照組相比,鎘可引起Nrf2蛋白表達(dá)水平的下調(diào),p-Akt/Akt比值的下降。與鎘處理組相比,LUT干預(yù)組細(xì)胞內(nèi)p-Akt和Nrf2蛋白表達(dá)水平出現(xiàn)上調(diào)。
圖6 Luteolin對(duì)鎘誘導(dǎo)Beas-2B細(xì)胞Akt、p-Akt和Nrf2蛋白表達(dá)的影響Fig.6 Effect of Luteolin on Akt,p-Akt(A)and Nrf2(B)protein expression in Cd-treated Beas-2B cells.*P<0.05,**P<0.01 vs control group,#P<0.05,##P<0.01 vs Cd group.
通過飲食攝入天然來源(水果和蔬菜)的生物活性化合物對(duì)包括癌癥在內(nèi)的多種人類疾病的預(yù)防作用已經(jīng)得到公認(rèn)[13]。具有高效低毒等特點(diǎn)的黃酮類化合物是一類備受關(guān)注的天然活性產(chǎn)物[23]。研究表明,某些類黃酮可拮抗多種疾病的進(jìn)展[24-25]。LUT是一種常見的膳食黃酮類化合物,廣泛分布于多種植物中,藥理研究表明其具有多種有益活性[14-16]。有研究報(bào)道,LUT可抑制多種重金屬(鋅、鉛、銅、鎘、汞、鎳)對(duì)HL7702肝細(xì)胞的聯(lián)合毒性,減少細(xì)胞死亡,抑制細(xì)胞凋亡[21]。本研究利用肺上皮Beas-2B細(xì)胞為研究對(duì)象,也得出了類似的結(jié)果。為了探討LUT對(duì)鎘致Beas-2B細(xì)胞損傷的影響,本研究先分別檢測(cè)了鎘和LUT對(duì)Beas-2B細(xì)胞活性的影響。發(fā)現(xiàn)濃度水平在5μmol/L的鎘即可明顯抑制Beas-2B細(xì)胞的活性,而LUT的濃度水平高達(dá)160μmol/L時(shí)才會(huì)對(duì)Beas-2B細(xì)胞的存活率產(chǎn)生影響。在這里,本研究選取了低濃度水平的LUT(0.25、0.5和0.75μmol/L)和剛能引起B(yǎng)eas-2B細(xì)胞損傷的濃度水平的鎘(5μmol/L)同時(shí)作用于細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)LUT可明顯改善鎘對(duì)Beas-2B細(xì)胞活性的抑制。
LDH是細(xì)胞膜完整性的重要指標(biāo),當(dāng)細(xì)胞破裂或受損時(shí),細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)遭到破壞,細(xì)胞內(nèi)的LDH會(huì)被釋放出來,細(xì)胞培養(yǎng)基中LDH活性增加[26]。本研究檢測(cè)結(jié)果表明,鎘可顯著增加Beas-2B細(xì)胞培養(yǎng)液中的LDH活性,LUT干預(yù)能顯著降低鎘處理所致的LDH活性增加。這表明LUT處理可保護(hù)Beas-2B細(xì)胞不受鎘誘導(dǎo)的損傷,使得細(xì)胞膜的完整性得以維持。
細(xì)胞凋亡在多細(xì)胞生物體的發(fā)育中起著重要的調(diào)控作用。有研究顯示,鎘可誘導(dǎo)多種細(xì)胞的凋亡[10,27]。本研究通過Hoechst 33258熒光染色發(fā)現(xiàn),鎘處理組細(xì)胞中出現(xiàn)許多細(xì)胞核被染為亮藍(lán)色的細(xì)胞,并有細(xì)胞核固縮、碎裂,染色質(zhì)凝聚現(xiàn)象。用LUT干預(yù)后,隨著干預(yù)濃度的增加,干預(yù)組細(xì)胞的細(xì)胞核形態(tài)改變情況得到了不同程度的改善,細(xì)胞核固縮和染色質(zhì)凝聚的現(xiàn)象明顯減少。這表明LUT干預(yù)緩解了鎘誘導(dǎo)的Beas-2B細(xì)胞凋亡情況,降低了鎘誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性。
外部因素的刺激可引起機(jī)體活性氧水平的增加,從而打破機(jī)體氧化還原狀態(tài)的平衡,導(dǎo)致氧化應(yīng)激的發(fā)生[11,28]。體內(nèi)外研究表明,氧化應(yīng)激可能是鎘發(fā)揮損傷作用的一個(gè)關(guān)鍵步驟[11,29-30]。與此類似,本研究通過流式細(xì)胞術(shù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),相比對(duì)照組,鎘可誘導(dǎo)Beas-2B細(xì)胞內(nèi)ROS水平顯著增高。此外,LUT干預(yù)組細(xì)胞內(nèi)的ROS 水平與鎘處理組相比均有顯著下降,這表明LUT可能是通過抑制鎘誘導(dǎo)的細(xì)胞ROS水平升高發(fā)揮的細(xì)胞保護(hù)作用。本研究進(jìn)一步分析了各處理組細(xì)胞中抗氧化物SOD、GSH水平及脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物MDA水平的變化,結(jié)果顯示,鎘降低了SOD活性和GSH含量,并促進(jìn)了MDA的合成,而LUT干預(yù)處理則可顯著增加SOD 活性和還原性GSH 的含量,并減少M(fèi)DA 水平。這暗示了LUT在預(yù)防鎘誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激中的重要作用,但是具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。
PI3K/Akt信號(hào)通路在細(xì)胞增殖、分化、凋亡和氧化應(yīng)激等生物學(xué)功能的調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用[31-32]。本研究結(jié)果顯示,鎘處理能顯著下調(diào)p-Akt 的表達(dá),降低p-Akt/Akt的比值。0.5μmol/L和0.75μmol/L的LUT 干預(yù)處理均可減輕鎘處理所致的p-Akt 表達(dá)的抑制,提升p-Akt/Akt 的比值。這與Abdelfatteh 等和Nazima Bashir等的研究一致[33-34]。核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)是存在于肝臟、腎臟和肺等器官和組織的調(diào)節(jié)細(xì)胞抗氧化酶和多種凋亡蛋白的重要轉(zhuǎn)錄因子[35]。Nrf2激活是細(xì)胞防御氧化應(yīng)激的重要調(diào)節(jié)機(jī)制,對(duì)人類健康具有重要意義[36]。有研究發(fā)現(xiàn),PKC、PI3K 和MAPK(p38、ERK1/2和JNK1/2)信號(hào)通路同Nrf2信號(hào)通路之間存在交叉激活[28]。Nazima Bashir等[34]有研究也顯示葡萄籽原花青素通過激活PI3K/Akt通路調(diào)節(jié)Nrf2的表達(dá)。本研究結(jié)果顯示,鎘可下調(diào)Beas-2B細(xì)胞中Nrf2蛋白的表達(dá)水平;0.5μmol/L和0.75μmol/L的LUT處理均可上調(diào)鎘處理組細(xì)胞的Nrf2 蛋白表達(dá)水平,即LUT處理可緩解鎘對(duì)細(xì)胞Nrf2蛋白表達(dá)的抑制。這表明LUT對(duì)鎘所致Beas-2B細(xì)胞損傷的保護(hù)作用可能與PI3K/Akt通路和Nrf2通路的激活有關(guān)。
綜上所述,鎘可以促進(jìn)Beas-2B細(xì)胞的氧化損傷和細(xì)胞凋亡,而LUT可能通過上調(diào)p-Akt和Nrf2蛋白的表達(dá),減輕鎘誘導(dǎo)的細(xì)胞氧化應(yīng)激水平,從而緩解鎘誘導(dǎo)的Beas-2B細(xì)胞損傷。