馬天文,于 躍,呂良鈺,賈麗娜,阮紅日,王顥然,王新宇,張雨欣,張建濤,高 利
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)學(xué)院 黑龍江省動(dòng)物疾病致病機(jī)制與比較醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150030)
軟骨細(xì)胞是關(guān)節(jié)軟骨中唯一的細(xì)胞,在正常關(guān)節(jié)中代謝活性較低,軟骨細(xì)胞在維持關(guān)節(jié)軟骨的正常生理結(jié)構(gòu)和功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用[1]。獸醫(yī)臨床上,許多動(dòng)物疾病都與軟骨退變有關(guān),包括骨關(guān)節(jié)炎、骨關(guān)節(jié)病和骨軟骨病等。軟骨疾病能夠?qū)е玛P(guān)節(jié)腫脹、疼痛、活動(dòng)受限甚至殘疾,影響動(dòng)物生活質(zhì)量并造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。臨床上常用的非甾體抗炎藥能夠緩解疼痛等癥狀,但不能修復(fù)軟骨和逆轉(zhuǎn)疾病,并且這些藥物長(zhǎng)期使用的胃腸毒性較大[2]。因此,研發(fā)功效顯著、副作用小并具有保護(hù)軟骨作用的藥物非常必要[3]。
天然產(chǎn)物因其安全和多樣的生物活性而備受關(guān)注[4]。銀杏葉提取物(GinkgobilobaL. extract)藥理活性廣泛,具有改善血流變狀態(tài)、抗炎和清除自由基等作用[5],而白果內(nèi)酯是銀杏葉提取物中唯一的倍半萜化合物[6]。有報(bào)道稱(chēng),白果內(nèi)酯通過(guò)JNK和NF-κB信號(hào)通路下調(diào)miRNA-125a從而抑制IL-17誘導(dǎo)的ATDC5細(xì)胞炎癥損傷[7],推測(cè)白果內(nèi)酯對(duì)軟骨細(xì)胞具有保護(hù)作用。此外,白果內(nèi)酯也通過(guò)AMPK/SIRT1/mTOR通路抑制IL-1β誘導(dǎo)的ATDC5軟骨細(xì)胞和大鼠骨關(guān)節(jié)炎模型中誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)和環(huán)氧合酶2(COX-2)炎癥介質(zhì)的表達(dá),從而發(fā)揮抗炎作用[8]。但白果內(nèi)酯對(duì)IL-1β誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞的自噬、增殖和凋亡作用尚需深入研究。
細(xì)胞凋亡是由基因控制的細(xì)胞自主有序的死亡,異常細(xì)胞凋亡會(huì)促進(jìn)疾病的發(fā)生發(fā)展,細(xì)胞凋亡與骨關(guān)節(jié)炎組織標(biāo)本中軟骨破壞和基質(zhì)耗竭的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[9]。自噬是一種細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和生存機(jī)制,依賴(lài)自噬體和溶酶體去除蛋白質(zhì)聚集體和功能失調(diào)的細(xì)胞器[10]。軟骨細(xì)胞自噬與凋亡有復(fù)雜的互作機(jī)制,自噬減少通常伴隨著細(xì)胞凋亡和軟骨退化的增加[11]?;诖?,本試驗(yàn)以ATDC5軟骨細(xì)胞自噬和凋亡為切入點(diǎn),探究白果內(nèi)酯對(duì)ATDC5軟骨細(xì)胞的保護(hù)作用機(jī)制,為白果內(nèi)酯在獸醫(yī)臨床上的應(yīng)用及相關(guān)靶點(diǎn)藥物的研究提供理論依據(jù)。
ATDC5小鼠成軟骨細(xì)胞系由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)外科教研室提供;自噬雙標(biāo)腺病毒(mRFP-GFP-LC3)由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)病理解剖教研室贈(zèng)予;白果內(nèi)酯(純度≥98%,CAS:33570-04-6)購(gòu)自成都曼思特生物科技有限公司。
10%胎牛血清(BI,以色列);1%胰島素-轉(zhuǎn)鐵蛋白-亞硒酸鈉培養(yǎng)基補(bǔ)充劑(ITS)(Sigma,美國(guó));DMEM/F12培養(yǎng)基(Gibco,美國(guó));胰蛋白酶-EDTA(Thermo Fisher,美國(guó));PBS(索萊寶,中國(guó));細(xì)胞凋亡檢測(cè)雞尾酒套裝(Abbkin,中國(guó));ECL化學(xué)發(fā)光試劑盒(Vazyme,中國(guó));總RNA提取試劑盒購(gòu)自天根生化科技有限公司;HiScript III 1 st Strand cDNA Synthesis Kit (+gDNA wiper)試劑盒和AceQ Universal SYBR qPCR Master Mix試劑盒購(gòu)自南京諾唯贊生物科技股份有限公司;1%青霉素-鏈霉素、BeyoClickTMEdU-555細(xì)胞增殖檢測(cè)試劑盒、RIPA裂解液、BCA蛋白分析試劑盒、5%牛血清白蛋白(BSA)和SDS-PAGE凝膠超快速配制試劑盒均購(gòu)自上海碧云天生物技術(shù)有限公司;本研究涉及的所有抗體均購(gòu)自武漢愛(ài)博泰克生物科技有限公司(ABclonal,中國(guó))。
熒光顯微鏡(Leica,德國(guó));流式細(xì)胞儀(BD,美國(guó));超高分辨顯微鏡(GE,美國(guó));電泳儀(百晶生物,中國(guó));自動(dòng)凝膠圖像分析系統(tǒng)(Tannon,中國(guó));恒溫培養(yǎng)箱(Thermo,美國(guó));羅氏480定量PCR儀(Roche,美國(guó));微量核酸蛋白濃度測(cè)定儀(Thermo,美國(guó))。
將細(xì)胞置于37 ℃和5% CO2的培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng),并配制含10%胎牛血清、1%青霉素-鏈霉素和1% ITS的DMEM/F12培養(yǎng)基。在細(xì)胞達(dá)到80%融合時(shí),用胰蛋白酶-EDTA消化細(xì)胞傳代。添加ITS誘導(dǎo)ATDC5細(xì)胞分化為軟骨細(xì)胞,使ATDC5細(xì)胞表達(dá)成軟骨表型標(biāo)記基因[12],參考前人研究[13],將ATDC5細(xì)胞誘導(dǎo)14 d后用于后續(xù)的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)分為對(duì)照組、IL-1β組(10 ng·mL-1)、IL-1β和白果內(nèi)酯共培養(yǎng)組,其中共培養(yǎng)組又分為白果內(nèi)酯高、中和低(15、30和60 μmol·L-1)3個(gè)不同劑量組,白果內(nèi)酯劑量的選擇參考之前的研究[8]。
使用含蛋白酶抑制劑的RIPA裂解緩沖液提取各組細(xì)胞的總蛋白。用BCA蛋白分析試劑盒測(cè)定蛋白濃度。通過(guò)SDS-PAGE分離蛋白樣品,然后轉(zhuǎn)移到PVDF膜上。用5%牛血清白蛋白(BSA)常溫下封閉1 h后,置于4 ℃與一抗孵育過(guò)夜,一抗使用稀釋比如下:GAPDH(1∶2 000)、LC3(1∶2 000)、Beclin1(1∶2 000)、Bcl2(1∶2 000)、BAX(1∶2 000)和Cleaved Caspase-3(1∶2 000)。然后,將膜與二抗(1∶3 000)孵育1 h,滴加ECL緩沖液,用自動(dòng)凝膠圖像分析系統(tǒng)顯示蛋白條帶,Image J軟件分析灰度值。
使用總RNA提取試劑盒提取各組軟骨細(xì)胞的總RNA,然后利用微量核酸蛋白濃度測(cè)定儀測(cè)定總RNA濃度。嚴(yán)格按照HiScript III 1 st Strand cDNA Synthesis Kit (+gDNA wiper)試劑盒的說(shuō)明進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄,AceQ Universal SYBR qPCR Master Mix試劑盒通過(guò)羅氏480定量PCR儀進(jìn)行qRT-PCR反應(yīng),采用2-ΔΔCt方法計(jì)算基因相對(duì)表達(dá)量。引物序列見(jiàn)表1。
表1 qRT-PCR檢測(cè)中使用的引物序列
將自噬雙標(biāo)腺病毒mRFP-GFP-LC3轉(zhuǎn)染ATDC5軟骨細(xì)胞,自噬溶酶體呈現(xiàn)為紅色熒光點(diǎn),自噬體則呈現(xiàn)為黃色熒光點(diǎn)。通過(guò)不同顏色斑點(diǎn)的計(jì)數(shù)可以檢測(cè)自噬流的強(qiáng)弱。用腺病毒mRFP-GFP-LC3轉(zhuǎn)染培養(yǎng)ATDC5軟骨細(xì)胞24~36 h,轉(zhuǎn)染后再用10 ng·mL-1IL-1β和/或60 μmol·L-1白果內(nèi)酯培養(yǎng)24 h。用4%多聚甲醛固定細(xì)胞20 min后,使用超高分辨顯微鏡獲得細(xì)胞圖像。
嚴(yán)格根據(jù)制造商的說(shuō)明書(shū)進(jìn)行EdU染色。用10 ng·mL-1IL-1β和/或60 μmol·L-1白果內(nèi)酯共同處理的細(xì)胞,并與10 μmol·L-1EdU工作溶液在37 ℃下孵育2 h。孵育后,將細(xì)胞用PBS洗滌2次,并用4%多聚甲醛固定15 min。將細(xì)胞用0.5% Triton X-100通透15 min,PBS洗滌2次。將細(xì)胞與Hoechst 33342溶液在室溫避光孵育10 min后,用熒光顯微鏡捕獲圖像。
細(xì)胞用10 ng·mL-1IL-1β和/或 60 μmol·L-1白果內(nèi)酯培養(yǎng)24 h后,消化收集至離心管。4 ℃,300×g離心5 min,預(yù)冷PBS洗滌2次。用1×Annexin V Binding Buffer重懸細(xì)胞,加入Annexin V-Ab Flour TM 488和PI,輕柔混勻,室溫避光孵育15 min。孵育后加入1×Annexin V Binding Buffer,輕柔混勻后置于冰上。通過(guò)流式細(xì)胞儀上檢測(cè)細(xì)胞凋亡情況,結(jié)果用FlowJo軟件進(jìn)行分析。
本試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS軟件(Windows版本19.0,USA)進(jìn)行分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)(n≥3)均采用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)”表示。組間采用單因素方差分析(ANOVA),然后進(jìn)行Turkey檢驗(yàn),P<0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,柱狀圖作圖軟件為GraphPad Prism 8。
Western blot和qRT-PCR方法檢測(cè)細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白和mRNA的表達(dá)(圖1),結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,IL-1β組軟骨細(xì)胞中LC3-Ⅱ和Beclin1的蛋白顯著降低(P<0.05),LC3和Beclin1的mRNA表達(dá)顯著降低(P<0.01)。與IL-1β組相比,不同濃度白果內(nèi)酯處理后LC3-Ⅱ和Beclin1的蛋白表達(dá)顯著增加(P<0.05),LC3和Beclin1的mRNA表達(dá)顯著增加(P<0.01),并且呈劑量依賴(lài)性增加,其中60 μmol·L-1白果內(nèi)酯處理后軟骨細(xì)胞中LC3-Ⅱ和Beclin1的蛋白表達(dá)量最高。因此使用高劑量60 μmol·L-1白果內(nèi)酯進(jìn)行后續(xù)研究。
A. Western blot檢測(cè)各蛋白表達(dá)水平;B. LC3-Ⅱ蛋白表達(dá)分析;C. Beclin1蛋白表達(dá)分析;D. LC3 mRNA表達(dá);E. Beclin1 mRNA表達(dá)。與對(duì)照組相比,*P<0.05,**P<0.01。與IL-1β組相比,#P<0.05,##P<0.01。下同
mRFP-GFP-LC3結(jié)果顯示(圖2),與對(duì)照組相比,IL-1β組圖像中黃色熒光顯著增多,且黃色熒光多于紅色熒光,即自噬小體顯著增多,自噬溶酶體較少,表明自噬下游受阻導(dǎo)致自噬減弱。與IL-1β組相比,60 μmol·L-1白果內(nèi)酯組圖像中黃色熒光減少,紅色熒光相對(duì)增多。
圖2 白果內(nèi)酯對(duì)ATDC5軟骨細(xì)胞自噬流的影響
采用EdU染色檢測(cè)細(xì)胞增殖情況(圖3A),對(duì)EdU染色陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖3B)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),經(jīng)10 ng·mL-1IL-1β處理后,EdU陽(yáng)性細(xì)胞總數(shù)極顯著低于對(duì)照組(P<0.01),細(xì)胞增殖被抑制。與IL-1β組相比,白果內(nèi)酯和IL-1β共同處理細(xì)胞后,EdU陽(yáng)性細(xì)胞率顯著升高(P<0.01),說(shuō)明白果內(nèi)酯對(duì)ATDC5軟骨細(xì)胞增殖具有促進(jìn)作用。
A. EdU染色(200×);B. 陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)
為了進(jìn)一步明確白果內(nèi)酯對(duì)ATDC5軟骨細(xì)胞凋亡的影響,本研究采用Annexin V/PI方法檢測(cè)細(xì)胞凋亡情況。如圖4所示,與對(duì)照組比較,IL-1β刺激后軟骨細(xì)胞凋亡率顯著增加(P<0.01)。與IL-1β組比較,60 μmol·L-1白果內(nèi)酯和IL-1β共同處理細(xì)胞后凋亡率顯著降低(P<0.01)。
A. 流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)細(xì)胞凋亡圖像;B.凋亡率分析
如圖5所示,Western blot和qRT-PCR方法結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,IL-1β組顯著增加BAX和Cleaved Caspase-3蛋白表達(dá)(P<0.05),增加BAX和Caspase-3 mRNA表達(dá)(P<0.01),而抑制Bcl2 mRNA(P<0.01)和蛋白表達(dá)(P<0.05)。細(xì)胞經(jīng)過(guò)60 μmol·L-1白果內(nèi)酯干預(yù)后,與IL-1β組相比,顯著抑制BAX和Cleaved Caspase-3蛋白表達(dá)(P<0.05),抑制BAX和CleavedCaspase-3 mRNA表達(dá)(P<0.01),而增加Bcl2蛋白表達(dá)(P<0.05)和Bcl2 mRNA表達(dá)(P<0.01)。綜上所述,白果內(nèi)酯抑制IL-1β誘導(dǎo)的ATDC5軟骨細(xì)胞凋亡。
A. Western blot檢測(cè)目的蛋白表達(dá)水平;B. Bcl2、BAX和Cleaved Caspase-3蛋白表達(dá)灰度分析結(jié)果;C. Bcl2、BAX和Caspase-3 mRNA表達(dá)
天然產(chǎn)物具有來(lái)源自然、雙向調(diào)節(jié)、毒副作用低等優(yōu)勢(shì),越來(lái)越多的天然產(chǎn)物被發(fā)現(xiàn)具有廣泛的抗炎、抗氧化或緩解骨關(guān)節(jié)炎的活性,已成為保護(hù)軟骨藥物研發(fā)的重要方向[14]。齊墩果酸通過(guò)調(diào)節(jié)miR-148-3p/FGF2信號(hào)通路,減輕IL-1β誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞功能障礙[15]。槲皮素可抑制IL-1β誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,并通過(guò)TSC2-RHEB-mTOR通路調(diào)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞自噬發(fā)揮軟骨保護(hù)作用[16]。白果內(nèi)酯對(duì)IL-1β誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞具有保護(hù)作用[7],但是其具體機(jī)制不明確。另外,炎癥細(xì)胞因子IL-1β在軟骨疾病的病理中發(fā)揮關(guān)鍵作用[17],其中10 ng·mL-1IL-1β被廣泛用于體外誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞炎癥模型[18]。前期研究發(fā)現(xiàn),15~60 μmol·L-1白果內(nèi)酯誘導(dǎo)ATDC5軟骨細(xì)胞24 h 無(wú)毒性作用,并且60 μmol·L-1白果內(nèi)酯是抑制IL-1β誘導(dǎo)的ACTD5軟骨細(xì)胞中iNOS/COX-2/MMP13蛋白表達(dá)的最具優(yōu)勢(shì)劑量[8],因此,本研究選擇15、30和60 μmol·L-1劑量組進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)10 ng·mL-1IL-1β誘導(dǎo)的ATDC5軟骨細(xì)胞與白果內(nèi)酯共培養(yǎng)后,LC3-Ⅱ和Beclin1的蛋白表達(dá)升高,說(shuō)明自噬被激活,EdU檢測(cè)細(xì)胞新合成的DNA增加,細(xì)胞增殖速度加快,而B(niǎo)AX和Caspase-3的表達(dá)被抑制,Bcl2蛋白表達(dá)增多,軟骨細(xì)胞凋亡率降低。這些結(jié)果表明,白果內(nèi)酯能夠促進(jìn)自噬,促進(jìn)ATDC5軟骨細(xì)胞增殖而抑制凋亡。
以關(guān)節(jié)軟骨退變?yōu)樘卣鞯墓顷P(guān)節(jié)炎的早期階段,自噬可能作為一種避免細(xì)胞死亡的適應(yīng)性反應(yīng)被激活,而在骨關(guān)節(jié)炎晚期,這種作為細(xì)胞死亡的替代途徑,可能與細(xì)胞凋亡一起被激活[19]。細(xì)胞將自噬物吞噬到自噬小體,直到最后自噬溶酶體形成并降解自噬物的這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為自噬流[20]。自噬流是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,轉(zhuǎn)染mRFP-GFP-LC3融合蛋白細(xì)胞內(nèi)熒光變化是評(píng)價(jià)自噬流的良好選擇。LC3II的產(chǎn)生是自噬成熟的常見(jiàn)標(biāo)志,而B(niǎo)eclin1是 III 類(lèi)磷脂酰肌醇3-激酶復(fù)合物的關(guān)鍵成分,Beclin1能夠介導(dǎo)其他自噬蛋白定位于吞噬泡(phagophore),從而調(diào)控自噬體的形成與成熟[21]。研究表明,許多天然產(chǎn)物通過(guò)靶向調(diào)控自噬在維持軟骨穩(wěn)態(tài)[22]。本研究中,白果內(nèi)酯干預(yù)IL-1β誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞后LC3II和Beclin1蛋白和mRNA表達(dá)呈劑量依賴(lài)性增加。說(shuō)明白果內(nèi)酯能夠促進(jìn)IL-1β誘導(dǎo)ATDC5軟骨細(xì)胞的自噬。此外,軟骨細(xì)胞轉(zhuǎn)染mRFP-GFP-LC3病毒后,白果內(nèi)酯與IL-1β共同處理組中黃色熒光減少,紅色熒光相對(duì)增多,表明自噬小體與溶酶體融合現(xiàn)象增多,形成自噬溶酶體的進(jìn)程更順暢,自噬流活化。
軟骨細(xì)胞過(guò)度凋亡是導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨損傷和退變的重要因素,并伴有炎癥因子的溢出,進(jìn)而加重?fù)p傷的嚴(yán)重程度[23]。通過(guò)對(duì)細(xì)胞應(yīng)激的應(yīng)答,自噬起到了保護(hù)細(xì)胞凋亡的作用[24]。Bcl-2和BAX分別是抑制細(xì)胞凋亡和促進(jìn)細(xì)胞凋亡基因,并且同屬于Bcl-2基因家族。BAX能夠與Bcl-2形成多聚體,而調(diào)節(jié)線(xiàn)粒體膜的通透性,最終調(diào)控細(xì)胞凋亡或存活[25]。Caspase-3正常以酶原的形式存在于胞漿中,但在凋亡的早期階段Caspase-3能夠被激活,進(jìn)而裂解相應(yīng)的胞漿胞核底物,最終誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[26]。研究表明,當(dāng)歸多糖能夠促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖,并通過(guò)ERK1/2通路誘導(dǎo)自噬減弱硝普鈉誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞凋亡[27]。CDDO-Im通過(guò)Nrf2通路增強(qiáng)TNF-α誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞中的細(xì)胞自噬而改善小鼠骨關(guān)節(jié)炎并抑制軟骨細(xì)胞凋亡[28]。本研究顯示,IL-1β組細(xì)胞凋亡率和BAX和Caspase-3表達(dá)增加,Bcl2水平顯著降低,說(shuō)明IL-1β能夠促進(jìn)ATDC5軟骨細(xì)胞凋亡。白果內(nèi)酯干預(yù)后,BAX和Caspase-3水平被抑制,Bcl2蛋白表達(dá)顯著增加,軟骨細(xì)胞凋亡率顯著降低。綜上,白果內(nèi)酯能夠增強(qiáng)自噬,活化自噬流以調(diào)節(jié)軟骨內(nèi)平衡,抑制軟骨細(xì)胞凋亡從而保護(hù)軟骨。
本研究發(fā)現(xiàn),白果內(nèi)酯對(duì)IL-1β誘導(dǎo)的ATDC5軟骨細(xì)胞具有明顯的保護(hù)作用,通過(guò)促進(jìn)軟骨細(xì)胞自噬通量,細(xì)胞增殖增加而顯著抑制軟骨細(xì)胞凋亡。但也有報(bào)道稱(chēng),食用過(guò)量的銀杏葉提取物偶爾會(huì)引起機(jī)體不良反應(yīng),包括頭暈、皮膚過(guò)敏[29]。因此,在研究其臨床應(yīng)用的可能性前,需要對(duì)白果內(nèi)酯對(duì)軟骨保護(hù)作用進(jìn)行廣泛的分子機(jī)制、藥理學(xué)和毒理學(xué)研究。盡管如此,本研究可以為白果內(nèi)酯對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的保護(hù)機(jī)制提供新的見(jiàn)解。
綜上所述,白果內(nèi)酯能夠促進(jìn)IL-1β誘導(dǎo)ATDC5軟骨細(xì)胞的自噬并且抑制細(xì)胞凋亡,進(jìn)而抑制IL-1β誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)并促進(jìn)ATDC5軟骨細(xì)胞的增殖。