王 蒙，王知斌，孫延平，楊炳友，匡海學(xué)

粉防己堿對人乳腺癌MCF-7細(xì)胞線粒體能量代謝的影響

王 蒙，王知斌，孫延平，楊炳友，匡海學(xué)*

黑龍江中醫(yī)藥大學(xué) 教育部北藥基礎(chǔ)與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江省中藥及天然藥物藥效物質(zhì)基礎(chǔ)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040

研究粉防己堿對人乳腺癌MCF-7細(xì)胞線粒體能量代謝的影響，探討其抗腫瘤作用及其機(jī)制。采用MTT法檢測粉防己堿對MCF-7細(xì)胞的細(xì)胞毒活性，評價(jià)其增殖抑制作用；通過檢測線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MMP）變化、三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）含量、活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平和呼吸電子傳遞鏈復(fù)合酶I～I(xiàn)V活力，評價(jià)粉防己堿對MCF-7細(xì)胞線粒體功能的影響；運(yùn)用細(xì)胞能量代謝分析儀對活體細(xì)胞能量代謝進(jìn)行實(shí)時全過程分析，評價(jià)粉防己堿對MCF-7細(xì)胞能量代謝的影響。粉防己堿可抑制MCF-7細(xì)胞增殖，其半數(shù)抑制濃度（50% concentration of inhibition，IC50）值為20.13 μmol/L；粉防己堿顯著降低MCF-7細(xì)胞MMP、ATP含量、ROS水平和呼吸電子傳遞鏈復(fù)合酶I～I(xiàn)V活力（＜0.05、0.01）；粉防己堿可對MCF-7細(xì)胞能量代謝過程中基礎(chǔ)氧消耗、ATP產(chǎn)能、線粒體儲備能和質(zhì)子漏產(chǎn)生影響。粉防己堿能夠通過破壞線粒體功能并減少細(xì)胞能量代謝，從而抑制MCF-7細(xì)胞增殖。

粉防己堿；乳腺癌；MCF-7細(xì)胞；線粒體功能；能量代謝

粉防己堿是一種雙芐基異喹啉類生物堿，為防己S. Moore的主要成分[1]?，F(xiàn)代藥理學(xué)研究表明，粉防己堿具有治療免疫性疾病、心血管疾病、矽肺病和抗腫瘤等多種生物活性[2]。粉防己堿可以通過抑制細(xì)胞增殖、減少血管新生、抑制細(xì)胞遷移與侵襲、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡與自噬等途徑，影響乳腺癌、肝癌、胃癌、結(jié)腸癌、鼻咽癌、膠質(zhì)瘤和骨肉瘤等多種腫瘤，有效發(fā)揮抑制腫瘤生長、轉(zhuǎn)移以及逆轉(zhuǎn)多藥耐藥的作用[3-5]。

腫瘤細(xì)胞獲取能量的方式區(qū)別于正常細(xì)胞，表現(xiàn)為瓦博格效應(yīng)[6]。正常分化細(xì)胞主要依靠線粒體的氧化磷酸化為細(xì)胞供能，而腫瘤細(xì)胞則主要依靠有氧糖酵解，瓦博格效應(yīng)是腫瘤細(xì)胞的重要代謝特征[7]。糖酵解過程提供能量，產(chǎn)能快捷但供能效率低；氧化磷酸化過程提供能量，產(chǎn)能緩慢但供能效率高[8]。腫瘤細(xì)胞通過糖酵解獲取能量實(shí)現(xiàn)快速增殖，并以此適應(yīng)腫瘤組織因快速增殖而導(dǎo)致的局部缺氧缺血環(huán)境[9]。因此，對腫瘤細(xì)胞線粒體功能與能量代謝過程進(jìn)行干預(yù)，可以抑制腫瘤細(xì)胞增殖并促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡，同時可以改變腫瘤組織周圍微環(huán)境，從而抑制腫瘤細(xì)胞遷移與侵襲。

本研究以粉防己堿對人乳腺癌MCF-7細(xì)胞進(jìn)行干預(yù)，從線粒體功能變化與細(xì)胞能量代謝改變角度出發(fā)，探究粉防己堿抗腫瘤的作用機(jī)制。本研究分別對線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MMP）、三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）含量、活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平和位于呼吸電子傳遞鏈的復(fù)合酶I～I(xiàn)V活力進(jìn)行檢測，考察能量代謝重要細(xì)胞器線粒體的功能變化；同時運(yùn)用實(shí)時活體細(xì)胞能量代謝分析儀對粉防己堿干預(yù)的MCF-7細(xì)胞進(jìn)行能量代謝過程全時分析，監(jiān)測活體細(xì)胞能量代謝動態(tài)全過程，為其深入研究及新型抗腫瘤藥物的開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料

1.1 細(xì)胞

MCF-7細(xì)胞購自中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院細(xì)胞資源中心。

1.2 藥品與試劑

粉防己堿（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%）購自上海源葉生物科技有限公司；5-氟尿嘧啶（5-Fu，批號20190315）購自湖北藝康源化工有限公司；胎牛血清（批號1418110）購自美國Gibco公司；RPMI 1640培養(yǎng)液（批號AAG204847）購自美國Hylcone公司；胰蛋白酶（批號0106A16）購自美國Sigma公司；噻唑藍(lán)（批號0793）購自美國Amresco公司；線粒體膜電位檢測試劑盒（批號E001）、腺嘌呤核苷三磷酸檢測試劑盒（批號A095）、活性氧檢測試劑盒（批號E004）購自南京建成生物工程研究所；煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）脫氫酶檢測試劑盒（批號SW040）、琥珀酸脫氫酶檢測試劑盒（批號SW041）、細(xì)胞色素還原酶檢測試劑盒（批號SW042）、細(xì)胞色素氧化酶檢測試劑盒（批號SW043）購自上海信帆生物科技有限公司。

1.3 儀器

XFe24型細(xì)胞能量代謝分析儀（美國Seahorse Bioscience公司）；VICTOR X3型酶聯(lián)免疫分析儀（美國PerkinElmer公司）；Vert A1型倒置顯微鏡（德國Zeiss公司）；HERACELL 150i型二氧化碳培養(yǎng)箱（美國Thermo Fisher Scientific公司）；SWCJ2G型超凈工作臺（廣州瑞智凈化設(shè)備有限公司）。

2 方法

2.1 粉防己堿對MCF-7細(xì)胞增殖的影響

MCF-7細(xì)胞用含10%胎牛血清、100 μg/mL鏈霉素、100 U/mL青霉素的RPMI 1640培養(yǎng)基，于5% CO2、37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每2天傳代1次。取處于對數(shù)生長期的細(xì)胞，以胰酶消化后，用培養(yǎng)基吹打成細(xì)胞懸液，以8×104/孔接種于96孔板中，100 μL/孔，培養(yǎng)24 h。設(shè)置對照組和粉防己堿（6.25、12.50、25.00、50.00、100.00 μg/mL）組，同時選取5-Fu作為陽性對照藥物。各給藥組分別加入相應(yīng)藥物，對照組加入不含藥物的培養(yǎng)基，培養(yǎng)48 h，加入20 μLMTT溶液（5 mg/mL），繼續(xù)孵育4 h，吸去上清液，加入150 μL二甲基亞砜（DMSO）溶解結(jié)晶，采用酶標(biāo)儀測定490 nm處吸光度（）值，計(jì)算粉防己堿各劑量組的增殖抑制率和半數(shù)抑制濃度（50% concentration of inhibition，IC50）。

細(xì)胞增殖抑制率＝(對照－給藥)/對照

2.2 粉防己堿對MCF-7細(xì)胞線粒體功能的影響

取處于對數(shù)生長期的MCF-7細(xì)胞，以1×106/孔接種于6孔板中，培養(yǎng)24 h。設(shè)置對照組和粉防己堿（12.5、25.0、50.0 μg/mL）組，各給藥組分別加入200 μL相應(yīng)藥物，對照組加入不含藥物的培養(yǎng)基，培養(yǎng)6 h。以490 nm激發(fā)波、530 nm照射波檢測各組MMP變化；以636 nm波長檢測各組ATP含量；以500 nm激發(fā)波、525 nm照射波檢測各組ROS水平；復(fù)合酶I為NADH脫氫酶、復(fù)合酶II為琥珀酸脫氫酶、復(fù)合酶III為細(xì)胞色素還原酶、復(fù)合酶IV為細(xì)胞色素氧化酶，NADH脫氫酶檢測波長為340 nm、琥珀酸脫氫酶檢測波長為605 nm、細(xì)胞色素還原酶檢測波長為550 nm、細(xì)胞色素氧化酶檢測波長為550 nm，檢測各組呼吸電子傳遞鏈復(fù)合酶I～I(xiàn)V活力。

2.3 粉防己堿對MCF-7細(xì)胞能量代謝的影響

細(xì)胞能量代謝分析儀測試板和探針暗盒于無CO2、37 ℃培養(yǎng)箱中孵育12 h進(jìn)行活化。取處于對數(shù)生長期的MCF-7細(xì)胞，以3×104/孔接種于24孔細(xì)胞能量代謝分析儀接種板中，加入525 μL培養(yǎng)基，于5% CO2、37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。設(shè)置對照組和粉防己堿（12.5、25.0、50.0 μg/mL）組，各給藥組分別加入20 μL相應(yīng)藥物，對照組加入不含藥物的培養(yǎng)基，培養(yǎng)6 h。將培養(yǎng)液吸出后，加入由4.5 g/L葡萄糖、2 mmol/L丙酮酸鈉和無糖DMEM組成的測試液，于無CO2、37 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)30 min。探針板測試槽中分別加入寡霉素、FCCP和魚藤酮，將接種板置于測試位校正30 min后開始檢測，儀器水化12 min后進(jìn)行自檢，O2和pH值自檢合格之后進(jìn)行測試。

2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

3 結(jié)果

3.1 粉防己堿對MCF-7細(xì)胞增殖的影響

陽性對照藥物5-Fu對MCF-7細(xì)胞的IC50值為8.43 μmol/L。如表1所示，粉防己堿表現(xiàn)出明顯細(xì)胞毒活性，可抑制MCF-7細(xì)胞增殖，其IC50值為20.13 μmol/L，以此為參考確定以12.5、25.0、50.0 μg/mL 3個劑量開展后續(xù)研究。

表1 粉防己堿對MCF-7細(xì)胞增殖的影響()

3.2 粉防己堿對MCF-7細(xì)胞線粒體功能的影響

3.2.1 粉防己堿對MCF-7細(xì)胞MMP、線粒體ATP含量和ROS水平的影響 如表2所示，粉防己堿顯著降低MCF-7細(xì)胞MMP、ATP含量和ROS水平（＜0.05、0.01），且呈劑量相關(guān)性。

3.2.2 粉防己堿對MCF-7細(xì)胞線粒體呼吸電子傳遞鏈復(fù)合酶I～I(xiàn)V活力的影響 如表3所示，粉防己堿顯著降低MCF-7細(xì)胞呼吸電子傳遞鏈復(fù)合酶I、III、IV活力（＜0.05、0.01），粉防己堿（25.0、50.0 μg/mL）顯著降低MCF-7細(xì)胞呼吸電子傳遞鏈復(fù)合酶II活力（＜0.05），且呈劑量相關(guān)性。

表2 粉防己堿對MCF-7細(xì)胞線粒體功能的影響(, n = 3)

與對照組比較：*＜0.05**＜0.01

*< 0.05**< 0.01control group

表3 粉防己堿對MCF-7細(xì)胞線粒體呼吸電子傳遞鏈復(fù)合酶I～I(xiàn)V活力的影響(, n = 3)

與對照組比較：*＜0.05**＜0.01

*< 0.05**< 0.01control group

3.3 粉防己堿對MCF-7細(xì)胞能量代謝的影響

細(xì)胞能量代謝分析儀可以對活體細(xì)胞的能量代謝進(jìn)行實(shí)時分析，記錄細(xì)胞能量代謝全過程并通過4階段測試分析細(xì)胞的不同能量代謝狀態(tài)，粉防己堿干預(yù)MCF-7細(xì)胞的能量代謝過程見圖1。細(xì)胞能量代謝分析見表4。能量代謝分析4階段圖如圖2所示，與對照組比較，粉防己堿顯著降低MCF-7 細(xì)胞基礎(chǔ)氧消耗、ATP產(chǎn)能、線粒體儲備能、質(zhì)子漏（＜0.01）。

圖1 粉防己堿干預(yù)MCF-7細(xì)胞能量代謝過程圖

表4 粉防己堿對MCF-7細(xì)胞能量代謝的影響(, n = 5)

A-基礎(chǔ)氧消耗 B-ATP產(chǎn)能 C-線粒體儲備能 D-質(zhì)子漏 與對照組比較：**P＜0.01

4 討論

腫瘤細(xì)胞因具有快速增殖的特性，其代謝過程對能量的需求也相應(yīng)增加[10]。腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出以有氧糖酵解為主的能量代謝方式，其放棄能效更高的氧化磷酸化過程，而選用能效低但產(chǎn)能快捷的糖酵解過程以滿足其對快速增殖的能量需求[11]。因此，干預(yù)腫瘤細(xì)胞的能量代謝過程也成為抑制其增殖的重要研究方向。真核細(xì)胞主要通過氧化磷酸化過程和糖酵解過程為細(xì)胞存活與增殖提供能量，葡萄糖經(jīng)過一系列酶催化為丙酮酸，再進(jìn)入線粒體后經(jīng)丙酮酸脫氫酶催化為乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)[12]。線粒體作為有氧呼吸的主要場所，不僅是細(xì)胞能量代謝的中心細(xì)胞器，同時也參與細(xì)胞脂肪酸、谷氨酰胺等物質(zhì)代謝過程[13]?？疾旎衔飳?xì)胞線粒體功能與能量代謝過程的影響，可以直觀評價(jià)其對細(xì)胞能量代謝的干預(yù)作用。目前，已經(jīng)有一些糖酵解抑制劑被發(fā)現(xiàn)并在腫瘤治療過程中表現(xiàn)出較好的療效。3-溴丙酮酸作為一種己糖激酶抑制劑，可有效抑制腫瘤細(xì)胞糖酵解過程從而降低ATP產(chǎn)生，使磷酸化B淋巴細(xì)胞瘤2相關(guān)X蛋白基因（B-cell lymphoma 2 associated X protein，Bax）去磷酸化誘導(dǎo)細(xì)胞色素C釋放，從而引起細(xì)胞凋亡[14]。氯尼達(dá)明作為吲唑-3-羧酸的一種衍生物，可以通過增加正常細(xì)胞的糖酵解速率進(jìn)而抑制腫瘤細(xì)胞糖酵解速率，從而抑制腫瘤細(xì)胞的快速增殖[15]。因此，靶向腫瘤細(xì)胞的能量代謝過程是開發(fā)新型抗腫瘤藥物的一個非常有效的策略。

細(xì)胞能量代謝分析儀是近幾年來開發(fā)出的一種實(shí)時監(jiān)測活體細(xì)胞能量代謝的新技術(shù)，其極大地簡化了細(xì)胞能量代謝過程的分析步驟，是目前最為先進(jìn)的細(xì)胞能量代謝測定手段[16]。儀器檢測采用固態(tài)探針，利用瞬時微室專利技術(shù)監(jiān)測溶解氧耗氧率（oxygen consumption rate，OCR）反映線粒體的有氧呼吸能力，同時測量細(xì)胞能量代謝氧化磷酸化和糖酵解2條主要的產(chǎn)能鏈，可獲得細(xì)胞基礎(chǔ)耗氧量、ATP產(chǎn)能、線粒體儲備能和質(zhì)子漏等主要指標(biāo)用以反映細(xì)胞能量代謝過程中氧化磷酸化和糖酵解產(chǎn)能情況[17]。同時，該分析方法可以在不破壞細(xì)胞的條件下，對活體細(xì)胞實(shí)現(xiàn)實(shí)時能量代謝分析，獲取細(xì)胞能量代謝數(shù)據(jù)形成細(xì)胞能量代謝變化過程圖。

本研究以粉防己堿干預(yù)MCF-7細(xì)胞后，檢測細(xì)胞線粒體功能相關(guān)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)粉防己堿可有效降低MCF-7細(xì)胞MMP，減少線粒體ATP含量和ROS水平，對線粒體產(chǎn)生破壞作用。同時，對細(xì)胞呼吸電子傳遞鏈復(fù)合酶I～I(xiàn)V活力進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)粉防己堿可以不同程度地降低NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、細(xì)胞色素還原酶和細(xì)胞色素氧化酶活力，影響線粒體呼吸電子傳遞鏈產(chǎn)能效率。進(jìn)一步利用細(xì)胞能量代謝分析儀對粉防己堿干預(yù)后的MCF-7細(xì)胞進(jìn)行實(shí)時活體細(xì)胞能量代謝分析，第1階段檢測基礎(chǔ)耗氧量，細(xì)胞基礎(chǔ)呼吸包括線粒體氧化磷酸化和質(zhì)子漏耗氧，通過監(jiān)測溶解氧耗氧率以反映細(xì)胞能量代謝；第2階段加入寡霉素，寡霉素是有效的ATP合酶抑制劑，添加后減少的耗氧率可反映出細(xì)胞合成ATP的消耗從而間接顯示細(xì)胞ATP合成量；第3階段加入解偶聯(lián)劑FCCP，其造成質(zhì)子回流而大量耗氧，因FCCP形成的質(zhì)子回流不能生成ATP，因此增加的耗氧體現(xiàn)為細(xì)胞線粒體儲備能；第4階段加入魚藤酮，魚藤酮作為一種呼吸鏈抑制劑可以破壞線粒體，完全阻止其耗氧以檢測質(zhì)子漏非線粒體產(chǎn)生的能量。粉防己堿對MCF-7細(xì)胞進(jìn)行干預(yù)后，其活體細(xì)胞能量代謝顯著降低且在不同階段均呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢。通過對線粒體功能與細(xì)胞能量代謝分析，發(fā)現(xiàn)粉防己堿可以破壞MCF-7細(xì)胞線粒體功能，顯著降低MCF-7細(xì)胞能量代謝過程，從而抑制腫瘤細(xì)胞增殖。粉防己堿可抑制MCF-7細(xì)胞增殖，其IC50值為20.13 μmol/L?，F(xiàn)代藥理學(xué)研究表明，粉防己堿可不同程度地對多種腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生抑制作用，粉防己堿抑制腫瘤細(xì)胞增殖的IC50值為5～10 μmol/L，提示粉防己堿對腫瘤細(xì)胞線粒體能量代謝的影響可作為粉防己堿抗腫瘤作用機(jī)制的重要研究方向。粉防己堿作為一種具有顯著抗腫瘤活性的生物堿類化合物極具研究價(jià)值，細(xì)胞能量代謝儀在活體細(xì)胞能量代謝實(shí)時分析領(lǐng)域也表現(xiàn)出優(yōu)秀的應(yīng)用能力。本研究為進(jìn)一步闡明粉防己堿抗腫瘤的作用機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)，并為細(xì)胞能量代謝分析儀在腫瘤領(lǐng)域的應(yīng)用提供實(shí)例。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

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Effect of tetrandrine on mitochondrial energy metabolism in human breast cancer MCF-7 cells

WANG Meng, WANG Zhi-bin, SUN Yan-ping, YANG Bing-you, KUANG Hai-xue

Heilongjiang Key Laboratory of Drug Efficacy Study Material of Traditional Chinese Medicine and Natural Product, Key Laboratory of Basic and Applied Research in North Medicine, Ministry of Education, Heilongjiang University of Chinese Medicine, Harbin 150040, China

To study the effect of tetrandrine on mitochondrial energy metabolism of MCF-7 cells, explore the antitumor effect and mechanism of tetrandrine.Cytotoxicity of tetrandrine on MCF-7 cells was measured to evaluate cell proliferation inhibition by MTT assay. The changes of mitochondrial membrane potential (MMP), adenosine triphosphate (ATP) content, reactive oxygen species (ROS) level and respiratory electron transport chain complex enzyme I—IV activities were measured to evaluate the effect of tetrandrine on mitochondrial function. The real-time metabolic process of MCF-7 cells were analyzed by Seahorse Extracellular Analyzer to evaluate the effect of tetrandrine on energy metabolism.Tetrandrine inhibited the proliferation of MCF-7 cells, with the 50% concentration of inhibition (IC50) was 20.13 μmol/L. Tetrandrine significantly reduced MMP, ATP content, ROS level and respiratory electron transport chain complex enzyme I—IV activities (< 0.05, 0.01). Tetrandrine affected basal oxygen consumption, ATP production, mitochondrial reserve energy and proton leakage in the process of energy metabolism in MCF-7 cells.Tetrandrine can inhibit MCF-7 cells proliferation by damaging mitochondrial function and reducing cell energy metabolism.

tetrandrine; breast cancer; MCF-7 cells; mitochondrial function; energy metabolism

R285.5

A

0253 - 2670(2021)17 - 5244 - 06

10.7501/j.issn.0253-2670.2021.17.016

2021-07-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（81803686）；國家自然科學(xué)基金配套項(xiàng)目（2018PP01）；教育部“春暉計(jì)劃”合作科研項(xiàng)目（HLJ2019035）；黑龍江省普通本科高等學(xué)校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（UNPYSCT-2020225）；黑龍江省博士后專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助（LBH-Q20180）

王 蒙（1987—），男，博士，主要從事中藥及復(fù)方藥效物質(zhì)基礎(chǔ)研究。Tel: (0451)82197047 E-mail: wangmeng@hljucm.net

匡海學(xué)（1955—），男，1982年畢業(yè)于沈陽藥學(xué)院天然藥物化學(xué)專業(yè)獲得碩士學(xué)位，教授，博士，博士生導(dǎo)師。全國第4批學(xué)科評估A＋學(xué)科國家一級學(xué)科重點(diǎn)學(xué)科中藥學(xué)學(xué)科和中藥學(xué)一級博士授權(quán)學(xué)科中藥學(xué)學(xué)科帶頭人，現(xiàn)為教育部北藥基礎(chǔ)與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、國務(wù)院學(xué)位委員會第7屆學(xué)科評議組中藥學(xué)學(xué)科召集人、教育部高等學(xué)校中藥學(xué)類專業(yè)教指委主任委員、國家973計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家、國家普通高校教學(xué)名師和全國中醫(yī)藥高等學(xué)校教學(xué)名師、全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文指導(dǎo)教師、《中國藥典》第8～11屆委員會委員、全國優(yōu)秀科技工作者、岐黃工程首席科學(xué)家，研究方向?yàn)橹兴帉W(xué)。Tel: (0451)82193001 E-mail: hxkuang@hljucm.net

[責(zé)任編輯 李亞楠]