王化湘 劉光化 簡唯求 彭輝燦 李姣
近年來,隨著人們生活水平的提高,糖尿病在全球范圍內(nèi)的發(fā)病率逐年上升[1]。作為一種嚴重危害人類健康的慢性代謝性疾病,糖尿病在發(fā)展過程中可能伴隨著腎功能衰竭、心血管疾病、視力損害等一系列并發(fā)癥[2,3],給糖尿病患者帶來極大的負擔(dān)。其中糖尿病視網(wǎng)膜病變是糖尿病患者出現(xiàn)視力損害最嚴重的并發(fā)癥[4],其病理改變是由于人視網(wǎng)膜微血管內(nèi)皮細胞(Human retinal micro- vascular endothelial cells,HRMEC)過度增殖導(dǎo)致的新血管生成,嚴重者甚至?xí)?dǎo)致視力完全喪失[5]。有研究發(fā)現(xiàn),其可能與視網(wǎng)膜組織血管內(nèi)皮生長因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)異常表達有關(guān),過度的VEGF表達能夠刺激血管內(nèi)皮細胞,提高其增殖與遷移能力,從而形成新的血管[6]。叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O3a(Forkhead box O3a,F(xiàn)OXO3a)是近些年來發(fā)現(xiàn)的一種新的轉(zhuǎn)錄因子,在動物中參與生長發(fā)育、細胞分化、代謝凋亡、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄和免疫等多種生物學(xué)進程,近期在血管生成過程中同樣發(fā)現(xiàn)FOXO3a發(fā)揮了一定的作用[6]。迷迭香酸是一種多酚酸,在現(xiàn)代藥理學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)其具有抗炎、抗腫瘤、抗氧化、抗病毒等多種功能[7]。目前有研究表明迷迭香酸能夠抑制VEGF的表達,對腫瘤細胞的增殖有抑制作用[8],但對于糖尿病視網(wǎng)膜病變影響的相關(guān)研究較少。因此本實驗以HRMEC為研究對象,以高糖培養(yǎng)基模擬糖尿病高糖環(huán)境[9],通過分子生物學(xué)技術(shù)分析迷迭香酸對高糖環(huán)境下HRMEC的影響及與FOXO3a/VEGF信號通路相關(guān)的可能機制,以期為糖尿病視網(wǎng)膜病變的臨床治療提供新的思路與理論依據(jù)。
1.1 實驗試劑 人視網(wǎng)膜微血管內(nèi)皮原代細胞購自上海中科院細胞庫;迷迭香酸購自上海恒斐生物科技有限公司;VEGF、FOXO3a、PCNA、CDK2、Cyclin A1抗體及辣根過氧化物酶標(biāo)記的山羊抗鼠IgG二抗購自北京博奧森生物技術(shù)有限公司;β-actin抗體購自美國貝博生物科技有限公司;PCR引物合成自上海生工生物工程股份有限公司;Trizol Reagent總RNA提取試劑盒購自美國英杰公司;MTT分析試劑盒購自艾博抗(上海)貿(mào)易有限公司;細胞周期檢測試劑盒購自上海碧云天生物技術(shù)有限公司;DMSO購自北京索萊寶生物科技有限公司;DMEM培養(yǎng)基購自賽默飛世爾科技(中國)有限公司;Western Blot相關(guān)試劑購自上海碧云天生物技術(shù)有限公司;胎牛血清購自美國Sigma公司;蛋白電泳儀與轉(zhuǎn)膜儀購自美國Bio-Rad公司。
1.2 細胞培養(yǎng) 將HRMEC置于加入了青霉素(100U/ml)、鏈霉素(0.1mg/ml)及10%胎牛血清的DMEM培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中,設(shè)置培養(yǎng)箱培養(yǎng)條件:37℃,含5%CO2;傳代條件:細胞密度>80%,以1:3的比例進行傳代培養(yǎng)。當(dāng)細胞處于對數(shù)生長期時進行試驗。
1.3 實驗分組及處理 將處于對數(shù)生長期的HRMEC分為6組??瞻捉M:在原培養(yǎng)基中進行培養(yǎng);低糖組:在加入低糖培養(yǎng)液(0.5mmol/L)的培養(yǎng)基中進行培養(yǎng);高糖組:在加入高糖培養(yǎng)液(25mmol/L)的培養(yǎng)基中進行培養(yǎng);低劑量迷迭香酸組:在高糖培養(yǎng)液中加入12.5μmol/L迷迭香酸進行培養(yǎng);中劑量迷迭香酸組:在高糖培養(yǎng)液中加入25μmol/L迷迭香酸進行培養(yǎng);高劑量迷迭香酸組:在高糖培養(yǎng)液中加入50μmol/L迷迭香酸進行培養(yǎng)。
1.4 MTT檢測HRMEC增殖活性 取處于對數(shù)生長期的各組HRMEC,使其解離后以5×103細胞/孔的密度在96孔細胞培養(yǎng)板上進行培養(yǎng),每組細胞設(shè)置5個復(fù)孔,在培養(yǎng)板邊緣孔中加入無酶水防止液體蒸發(fā)。將細胞繼續(xù)培養(yǎng)24、48、72h后取出,隨后向每孔中避光加入20μl的MTT粉劑溶液,繼續(xù)培養(yǎng)4h后取出用PBS溶液洗滌,加入DMSO溶液20μl,使用酶標(biāo)儀在490nm波長下測量光密度(OD值),OD值越大代表細胞數(shù)量越多,細胞增殖活性越強。
1.5 流式細胞術(shù)檢測HRMEC周期 將經(jīng)處理后的HRMEC懸液離心后棄去上清液,加入預(yù)冷70%乙醇固定細胞2h,之后棄去上清液。使用細胞周期檢測試劑盒在避光環(huán)境下溶解,并恒溫孵育30min后使用流式細胞儀進行周期檢測,使用流式軟件CytExpert對細胞周期分布結(jié)果進行處理。
1.6 Real-time PCR 將收集到的處理后的HRMEC懸液離心后棄去上清液,向沉淀中加入適量Trizol試劑,在冰上孵育5~10min后加入預(yù)冷過的氯仿0.2ml。繼續(xù)冰上孵育5min后1 200r/min離心15min,轉(zhuǎn)移水相,加入等體積異丙醇后再次離心10min,棄上清液。加入預(yù)冷75%乙醇溶液洗滌,棄上清液后風(fēng)干,加入40~200μl的無酶水溶解制成RNA備用。通過制備的RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA,然后加入SYBR Green染料與VEGF的上下游引物混合離心(VEGF基因上游引物為5'-TCGAGACCCTGGTGGACATC-3',下游引物為5'-CACACAGGACGGCTTGAAGA-3';β-actin基 因上游引物為5'-TCAGGTCATCACTATCGGCAAT-3',下游引物為5'-AAAGAAAGGGTGTAAAACGCA-3')。隨后于PCR儀上進行擴增,循環(huán)完成后做溶解曲線。以采集到的熒光信號值(Ct值)進行相對定量分析。
1.7 蛋白免疫印跡試驗(Western Blot) 將收集到的處理后的HRMEC懸液離心后棄去上清液,然后加入RIPA裂解液和PMSF蛋白酶抑制劑提取總蛋白,提取出的總蛋白放入10ml EP管中,加入十二烷基磺酸鈉混勻后放入95℃~100℃沸水中水煮變性后備用。將提取的總蛋白進行電泳、封閉及轉(zhuǎn)膜操作。轉(zhuǎn)膜后分別孵育VEGF(1:1000)、FOXO3a(1:1000)、PCNA(1:1000)、CDK2(1:1000)、Cyclin A1(1:1000)及β-actin(1:500)抗體與相對應(yīng)的辣根過氧化物酶標(biāo)記的二抗,最后將含有蛋白標(biāo)記的膜洗凈,涂上化學(xué)發(fā)光顯影液后通過顯影儀拍照,對結(jié)果用ImageJ軟件對各組HRMEC中不同因子的相對灰度值進行系統(tǒng)性分析。
1.8 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)分析,結(jié)果以均數(shù)±標(biāo)準差(±s)表示,數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布,兩組間均數(shù)差異比較采用t檢驗,多組間均值差異比較采用F檢驗,以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
2.1 MTT檢測在高糖環(huán)境下不同濃度迷迭香酸對HRMEC增殖活性的影響 經(jīng)過MTT檢測OD值發(fā)現(xiàn),低糖組中各時間段HRMEC數(shù)量均少于高糖組,高糖環(huán)境下培養(yǎng)的HRMEC經(jīng)不同濃度的迷迭香酸處理后,其細胞數(shù)量均有所降低,且隨著迷迭香酸濃度的增加以及干預(yù)時間的延長,HRMEC數(shù)量顯著下降,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。見表1。
表1 不同時間點HRMEC數(shù)量的比較
2.2 流式細胞術(shù)檢測在高糖環(huán)境下不同濃度迷迭香酸對HRMEC周期分布的影響 用CytExpert軟件分析結(jié)果可發(fā)現(xiàn)與空白組及低糖組相比,高糖環(huán)境下HRMEC分布于S期的細胞數(shù)量顯著增加,G0/G1期數(shù)量顯著降低;與高糖組相比,HRMEC經(jīng)不同濃度的迷迭香酸處理后分布于S期細胞數(shù)量減少,G0/G1期的細胞數(shù)量明顯增加,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);且隨著迷迭香酸濃度的增加,阻滯于G0/G1期的細胞數(shù)量明顯增加。見圖1。
圖1 各組HRMEC周期分布
2.3 Real-time PCR檢測高糖環(huán)境下不同濃度迷迭香酸對HRMEC中VEGF mRNA水平的影響 RT-PCR結(jié)果顯示,與空白組及低糖組相比,高糖環(huán)境下HRMEC中VEGF mRNA水平明顯上升,當(dāng)經(jīng)過不同濃度的迷迭香酸處理后,其VEGF mRNA水平明顯下降,且迷迭香酸各劑量組上述指標(biāo)呈劑量依賴性降低,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。見圖2。
圖2 各組HRMEC中VEGF mRNA水平
2.4 Western Blot檢測在高糖環(huán)境下不同濃度迷迭香酸對HRMEC中VEGF蛋白表達的影響 與空白組及低糖組相比,在高糖環(huán)境下HRMEC中VEGF、FOXO3a、PCNA、CDK2、Cyclin A1各蛋白相對表達水平均明顯上升(均為P<0.05);與高糖組相比,經(jīng)不同濃度的迷迭香酸處理后HRMEC中 VEGF、FOXO3a、PCNA、CDK2、Cyclin A1各蛋白相對表達水平均顯著受到抑制,且迷迭香酸各劑量組上述蛋白水平呈劑量依賴性降低,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。見圖3、4。
圖3 各組HRMEC中VEGF、FOXO3a、PCNA、CDK2、Cyclin A1蛋白水平
圖4 各組HRMEC中VEGF、FOXO3a、PCNA、CDK2、Cyclin A1蛋白電泳圖
據(jù)流行病學(xué)統(tǒng)計,全世界范圍內(nèi)糖尿病的患病率目前已經(jīng)超過10%[10],而在此基礎(chǔ)上發(fā)生血管并發(fā)癥的患者同樣在逐年增加,其中糖尿病視網(wǎng)膜病變是與糖尿病患者視力相關(guān)的最嚴重的特征性病變,是以血管通透性增強、微血管閉塞、組織缺氧、局部缺血為特征,刺激VEGF的形成與釋放,最終引起視網(wǎng)膜新生血管形成[11]。當(dāng)發(fā)生視網(wǎng)膜病變時,由于新生血管內(nèi)皮結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,易出現(xiàn)視網(wǎng)膜出血、水腫、積血等情況,如果不及時治療,50%的患者將在確診3~5年內(nèi)完全喪失視力[12]。HRMEC在高糖環(huán)境下的氧化-抗氧化系統(tǒng)會出現(xiàn)紊亂,產(chǎn)生大量的活性氧[13],從而破壞細胞的正常功能,同時其機體炎癥指標(biāo)IL-1β、IL-6、TNF-α也會過表達[14]。目前臨床多通過藥物、激光及手術(shù)治療糖尿病視網(wǎng)膜病變,但由于其病理機制復(fù)雜,常用的治療方法難以滿足全部患者的需求,因此,目前仍迫切需要進行糖尿病視網(wǎng)膜病變的機制研究及靶向治療藥物的開發(fā)。
迷迭香酸是一種多酚酸,廣泛分布于唇形科、紫草科、葫蘆科等植物中,是多種藥材和中成藥的主要成分,具有抗氧化、抗炎、抗腫瘤、抗病毒等多方面藥理學(xué)活性,且能夠在機體內(nèi)相互聯(lián)系,共同發(fā)揮治療作用[15]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),迷迭香酸能夠明顯抑制高糖環(huán)境下HRMEC的增殖活性,且隨著迷迭香酸濃度的增加,其抑制效果同樣增加。VEGF是參與視網(wǎng)膜損傷的主要標(biāo)志指標(biāo),參與視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮連接與調(diào)節(jié)血管屏障功能[16],本研究通過在高糖環(huán)境下培養(yǎng)HRMEC以模擬糖尿病視網(wǎng)膜病變微環(huán)境,RT-PCR結(jié)果顯示高糖環(huán)境下HRMEC中VEGF表達水平顯著上升,這與很多研究中高血糖能夠誘導(dǎo)HRMEC中VEGF過表達導(dǎo)致產(chǎn)生新生血管的結(jié)果一致[17,18]。此外,在一些關(guān)于神經(jīng)系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn),VEGF與神經(jīng)元損害同樣具有緊密聯(lián)系[19],可能加重糖尿病視網(wǎng)膜病變患者視力的進一步損害。FOXO3a轉(zhuǎn)錄因子已被證實具有抑制內(nèi)皮細胞增殖分化成熟、遷移及新生血管形成的作用,且FOXO3a可以對血管內(nèi)皮細胞中VEGF的表達從蛋白、mRNA和基因啟動子水平上發(fā)揮負調(diào)節(jié)作用,這一過程可能與FOXO3a通過與VEGF共同競爭轉(zhuǎn)錄激活因子FOXM1有關(guān)[20],但當(dāng)其發(fā)生磷酸化時會失去轉(zhuǎn)錄活性[21]。在本研究中,迷迭香酸能夠降低HRMEC中VEGF與FOXO3a的表達水平,且呈劑量依賴性,這可能與迷迭香酸能夠抑制FOXO3a磷酸化,從而抑制VEGF的促血管形成功能有關(guān)。
細胞周期在各個時期由不同周期蛋白調(diào)控,其中G0/G1期向S期轉(zhuǎn)化過程中主要由Cyclin A1與CDK2結(jié)合作用于檢查點,其結(jié)合復(fù)合物具有調(diào)節(jié)DNA合成與促進細胞分裂的作用[22]。流式細胞術(shù)結(jié)果顯示,高糖環(huán)境下HRMEC中周期調(diào)控蛋白Cyclin A1與CDK2的表達量顯著上升,且細胞周期多分布于S期,細胞增殖循環(huán)處于活躍狀態(tài)。PCNA在增殖細胞中于S期表達最高,G0/G1期表達量極低,因此能夠作為細胞增殖指標(biāo)[23]。在本研究中,迷迭香酸能夠顯著降低高糖環(huán)境下HRMEC中Cyclin A1、CDK2與PCNA的表達,且將細胞周期進程阻滯于G0/G1期,使細胞增殖受到抑制,從而降低新的血管生成。
綜上所述,本研究通過建立高糖環(huán)境模擬糖尿病視網(wǎng)膜病變HRMEC微環(huán)境并應(yīng)用迷迭香酸進行治療,發(fā)現(xiàn)迷迭香酸能夠通過對周期與增殖相關(guān)蛋白進行調(diào)控影響細胞周期進程,從而抑制HRMEC增殖導(dǎo)致的新生血管生成。本研究為開展糖尿病視網(wǎng)膜病變的中藥治療提供了新的思路與研究證據(jù)。