目的 探讨肉苁蓉苯乙醇总苷(Cistanche phenylethanol glycosides,CPhGs)对耐药骨肉瘤荷瘤小鼠固有免疫功能、肿瘤生长及肿瘤细胞凋亡的影响机制。
方法 通过梯度浓度法建立人骨肉瘤MG-63细胞耐药株,并构建耐药骨肉瘤荷瘤裸鼠模型(共36只,每组6只)。模型组予以生理盐水灌胃;甲氨蝶呤(methotrexate,MTX)组每三日腹腔注射MTX(20 mg/kg);联合组每三日腹腔注射MTX的同时给予中剂量浓度CPhGs(250 mg/kg)每日灌胃;CPhGs高、中、低剂量组分别给予高(500 mg/kg)、中(250 mg/kg)、低(125 mg/kg)剂量浓度的CPhGs每日灌胃。观察裸鼠骨肉瘤瘤体大小变化,绘制各组肿瘤平均体积随时间变化曲线图,计算抑瘤率;采用ELISA法检测裸鼠血清中IL-2、TNF-α含量;利用流式细胞术检测肿瘤组织细胞凋亡的情况;Western blot检测肿瘤组织中凋亡相关蛋白Bcl-2、Bax表达及p-AKT、p-mTOR、p-PI3K表达变化。
结果 与模型组相比,各实验组肿瘤组织体积及重量显著减小(P<0.001);与模型组和MTX组相比,各CPhGs组、联合组裸鼠血清IL-2、TNF-α含量显著升高(P<0.01);与模型组相比,各实验组Bax表达显著升高(P<0.001),高、中剂量CPhGs组及联合组Bcl-2表达显著降低(P<0.001);与模型组和MTX组相比,各CPhGs组及联合组裸鼠瘤体组织凋亡率均显著升高,且p-AKT、p-mTOR、p-PI3K含量显著减少(P<0.05)。
结论 CPhGs能显著改善耐药骨肉瘤荷瘤裸鼠的免疫功能,并通过调控PI3K/AKT/mTOR信号通路及Bax、Bcl-2凋亡蛋白的表达促进肿瘤细胞凋亡,从而有效抑制肿瘤生长。
骨肉瘤(osteosacoma,OS)是一种高度恶性原发性骨肿瘤,其发病率在青少年原发性恶性骨肿瘤中居首位,具有极高的致残率和致死率。目前,术后应用大剂量甲氨蝶呤(methotrexate,MTX)单药或联合其他化疗药物,可有效提高OS患者的生存率[1]。然而,部分OS患者因耐药对化疗不敏感,导致肿瘤进展。此外,肿瘤患者体内T淋巴细胞亚群常处于免疫失衡状态,化疗会在短期内进一步加重免疫紊乱及免疫抑制 [2]。有研究表明,从OS的生物学特征层面分析,增强人体免疫反应可能改善OS患者的预后[3]。化疗耐药是OS患者治疗失败最常见且最难解决的问题之一,免疫功能低下也是导致肿瘤快速进展的关键因素之一[4]。
磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号通路被认为是人类癌症中最重要的致癌通路之一。该通路在OS中常过度激活,可驱动OS细胞增殖、侵袭、转移及血管生成,并抑制其凋亡,进而导致OS对化疗药物的耐药性[5]。研究证实,肉苁蓉主要成分肉苁蓉苯乙醇总苷(Cistanche phenylethanol glycosides,CPhGs)可增强肝癌荷瘤小鼠的免疫功能,抑制肿瘤生长[6]。体外研究表明,CPhGs能显著抑制肝癌细胞HepG2的增殖,并诱导其凋亡[7]。诱导细胞凋亡是目前抗肿瘤药物的主要作用机制,也是近年来OS治疗的研究热点之一。裸鼠在解剖生理学、生物学等方面与人有较多相似之处,且裸鼠对移植瘤的接受性较强,可以移植某些异源肿瘤细胞,在肿瘤模型建立中应用范围较广[8-9]。本研究拟通过构建耐药骨肉瘤荷瘤裸鼠模型,观察CPhGs对耐药骨肉瘤荷瘤裸鼠模型免疫功能、PI3K/AKT/mTOR通路的影响及其对肿瘤生长的抑制作用和药理学机制,以期为拓宽OS的临床治疗思路和基础研究提供参考。
1 资料与方法
1.1 实验动物
SPF级裸鼠36只(6~8周龄,体重19~25 g),购自常州卡文斯实验动物有限公司,动物合格证号:NO.202367524。本实验经西北民族大学实验动物伦理委员会批准(Xbmu-3m-202306)。
1.2 细胞株
MG-63细胞,购自上海中科院细胞研究所。
1.3 药品与试剂
胎牛血清、高糖DMEM培养基、0.25% Trypsin-EDTA、MTX(大连美仑生物技术有限公司,批号分别为PWL001、MA0212、MA0233-1、MB1156-1);CPhGs(陕西森元生物科技有限公司,批号:SY20231212605);p-mTOR抗体、p-PI3K抗体、p-AKT抗体、Bcl-2抗体、Bax抗体(杭州华安生物技术有限公司,批号分别为HA600094、HA721673、ET1607-73、ET1702-53、ET1603-34);TNF-α、IL-2的ELISA检测试剂盒(杭州联科生物技术有限公司,批号分别为EK282、EK202)。
1.4 仪器
CT14RD台式高速冷冻离心机(上海天美生化仪器有限公司);SW-CJ-1 FD超净台(苏州净化股份有限公司);CO-5AC细胞培育箱(日本三洋电机公司);AE31荧光倒置显微镜(厦门麦克奥迪实业集团有限公司);RT-6100酶标仪(深圳雷杜生命科学股份有限公司);PowerPoc凝胶电泳仪、ChemiDocTM凝胶成像分析仪(美国Bio-rad公司)。
1.5 实验方法
1.5.1 建立人骨肉瘤MG-63耐药株(MG-63/MTX)
培养MG-63细胞至对数生长期,细胞融合率达到80%。加入预先配制好的含100 ng/mL MTX的细胞培养液,48 h后换液,待细胞重新达到80%融合率后,继续加入含相同浓度MTX的培养液。重复上述步骤,使MG-63骨肉瘤细胞能在含100 ng/mL MTX的培养液中稳定生长。接着按照此法逐渐提高培养液中MTX的浓度,依次采用200 ng/mL、500 ng/mL、1 000 ng/mL、2 000 ng/mL、5 000 ng/mL及10 000 ng/mL的浓度。经过5个月的培养,最后选取10 000 ng/mL MTX中稳定生长的骨肉瘤耐药系(MG-63/MTX)进行后续实验。
1.5.2 构建耐药骨肉瘤荷瘤裸鼠动物模型
骨肉瘤动物模型造模方法参考文献[10],将MG-63/MTX细胞制备成浓度为4×106/100 μL细胞悬液,于裸鼠腋窝皮下注射100 μL造模,观察成瘤情况。
1.5.3 动物分组与干预
将荷瘤模型裸鼠随机分为模型(Model)组、MTX组、MTX联合CPhGs(MTX-CPhGs)组、高剂量CPhGs(CPhGs-H)组、中剂量CPhGs(CPhGs-M)组和低剂量CPhGs(CPhGs-L)组,每组6只。造模后第6天开始灌胃,模型组小鼠每日灌胃10 μL/g 生理盐水;MTX组腹腔注射20 mg/kg MTX,每三天注射一次;MTX-CPhGs组每日灌胃250 mg/kg CPhGs,同时腹腔注射20mg/kg MTX,每三天注射一次;CPhGs-H组每日灌胃500 mg/kg CPhGs;CPhGs-M组每日灌胃250 mg/kg CPhGs;CPhGs-L组每日灌胃125 mg/kg CPhGs。各组裸鼠均连续处理15天。
1.5.4 测定耐药骨肉瘤荷瘤裸鼠肿瘤体积及重量
观察并记录各组裸鼠的肿瘤体积,并绘制肿瘤生长曲线。末次给药24 h后,采用颈椎脱臼法处死小鼠,剥离肿瘤并称重,计算抑瘤率。抑瘤率计算方式如下:
瘤体体积=1/2(肿瘤长径×肿瘤短径2)
抑瘤率=[(模型组平均瘤重-给药组平均瘤重)/模型组平均瘤重]×100%
1.5.5 ELISA检测血清IL-2、TNF-α含量
提取各组裸鼠血清,利用ELISA法检测小鼠血清IL-2与TNF-α的含量,具体操作按ELISA试剂盒说明书进行。
1.5.6 流式细胞术检测肿瘤组织细胞凋亡情况
取各组裸鼠肿瘤组织剪碎、研磨、过滤、离心、裂解红细胞,制备为单细胞悬液置于离心管。并调整细胞浓度至1×106/mL,100 μL的Binding Buffer重悬细胞,加入5 μL的AV-FITC和PI,避光孵育15 min,离心重悬后加入400 μL Binding Buffer,振荡混匀后上机检测。
1.5.7 Western blot检测p-AKT、p-mTOR、p-PI3K及凋亡蛋白Bcl-2、Bax表达
将各组肿瘤组织块剪碎后置于匀浆器中,加入蛋白裂解液裂解匀浆,裂解后在12 000 r/min条件下离心并提取上清。制备电泳凝胶,电泳分离蛋白质,转膜和封闭。一抗4℃孵育过夜,洗膜后用二抗室温孵育1 h。TBST缓冲液摇床洗涤,加入ECL发光溶液显影,定影后进行凝胶图像分析,并用Image J软件分析蛋白条带灰度值。
1.6 统计分析
采用GraphPad Prism 7和SPSS 25.0软件进行统计分析。计量资料以均数和标准差(
)表示,符合正态分布且方差齐者,组间比较采用单因素方差分析(one-way ANOVA),不符合正态分布采用非参数检验。采用配对t检验分析抑瘤率。P <0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 骨肉瘤MG-63耐药系(MG-63/MTX)细胞株
原始MG-63细胞贴壁生长,体积中等,多呈梭形,偶见不规则形,核大,核仁清晰(图1-A)。MG-63/MTX细胞体积变长,呈梭形或不规则形,有明显伪足(图1-B)。
2.2 各组小鼠肿瘤生长情况比较
从灌胃第6天开始,给药组小鼠肿瘤体积与模型组相比明显缩小。灌胃第21天,各组取其中3只裸鼠的肿瘤作比较(图2-A),各给药组瘤体体积与模型组相比均减小(P<0.001)。CPhGs-H组、CPhGs-M组、CPhGs-L组及MTX-CPhGs组的肿瘤体积均小于MTX组(P<0.001)。在CPhGs各组中,随着药物浓度的增加,肿瘤体积逐渐减小,与模型组肿瘤体积的差异也越大(图2-B)。表明CPhGs可明显抑制耐药荷瘤小鼠肿瘤组织的生长,且抑制作用与CPhGs浓度呈正相关关系。
与模型组比较,MTX组、CPhGs-H组、CPhGs-M组、CPhGs-L组及MTX-CPhGs组平均瘤重均显著降低(P<0. 001)。与MTX组相比,CPhGs-H组、CPhGs-M组、CPhGs-L组及MTX-CPhGs组抑瘤率显著增高,且在CPhGs-H组、CPhGs-M组、CPhGs-L组中,抑瘤率随药物浓度增加呈剂量依赖性升高,详见表1。
2.3 CPhGs对耐药荷瘤裸鼠血清IL-2、TNF-α含量的影响
与模型组比较,MTX组模型小鼠血清TNF-α含量显著增高(P<0.05),MTX-CPhGs组模型小鼠血清TNF-α和IL-2含量明显增高(P <0.01)。此外,CPhGs-H组、CPhGs-M组与CPhGs-L组模型小鼠血清TNF-α含量较模型组均显著增高(P <0.001),且CPhGs-M组模型小鼠血清IL-2含量增高(P <0.01),而CPhGs-H组和CPhGs-L组模型小鼠血清IL-2含量增高更为显著(P <0.001)。与MTX组比较,CPhGs-H组、CPhGs-M组、CPhGs-L组及MTX-CPhGs组小鼠血清TNF-α、IL-2含量均显著增高(P <0.001),详见表2。这表明CPhGs可能通过调控TNF-α和IL-2表达水平改善耐药OS荷瘤小鼠固有免疫功能。
2.4 CPhGs对耐药荷瘤裸鼠肿瘤组织细胞凋亡的影响
相较于模型组,MTX组和CPhGs-L组肿瘤组织凋亡率显著升高(P<0.05),CPhGs-H组、CPhGs-M组及MTX-CPhGs组肿瘤组织凋亡率均升高更为显著(P<0.001)。相较于MTX组,CPhGs-H组、CPhGs-M组及MTX-CPhGs组肿瘤组织凋亡率均升高(P<0.001),详见图3、表3。以上表明CPhGs可促进耐药荷瘤裸鼠肿瘤组织细胞的凋亡。
2.5 CPhGs对耐药荷瘤裸鼠肿瘤组织p-AKT、p-mTOR、p-PI3K蛋白表达的影响
与模型组相比,MTX组耐药裸鼠肿瘤组织中p-AKT表达水平显著降低(P <0.001)。MTX-CPhGs组、CPhGs-H组及CPhGs-M组裸鼠肿瘤组织中p-AKT、p-mTOR、p-PI3K表达水平显著降低(P <0.001),CPhGs-L组裸鼠肿瘤组织中p-AKT表达水平降低(P<0.01),p-mTOR、p-PI3K表达水平降低更为显著(P<0.001)。与MTX组比较,MTX-CPhGs组及CPhGs-H组裸鼠肿瘤组织中p-AKT、p-mTOR、p-PI3K表达水平亦显著降低(P <0.001),CPhGs-M组裸鼠肿瘤组织中p-AKT的表达略有下降(P <0.05),p-mTOR、p-PI3K表达水平降低更为显著(P <0.001),CPhGs-L组裸鼠肿瘤组织中p-AKT的表达下降(P <0.01),p-mTOR、p-PI3K表达水平降低更为显著(P <0.001),详见图4-A至图4-D。
2.6 CPhGs对耐药荷瘤裸鼠肿瘤组织Bcl-2、Bax蛋白表达的影响
与模型组相比,各药物组耐药裸鼠肿瘤组织中Bax表达水平均显著增高(P <0.001),MTX组肿瘤组织中Bcl-2表达水平增高(P<0.05),MTX-CPhGs组、CPhGs-H组及CPhGs-M组肿瘤组织Bcl-2表达显著降低(P <0.001)。与MTX组比较,CPhGs-H组、CPhGs-M组、CPhGs-L组及MTX-CPhGs组肿瘤组织Bcl-2表达水平均显著降低(P<0.001),CPhGs-H组与CPhGs-M组肿瘤组织的Bax表达水平显著增高(P<0.001),详见图4-A、图4-E、图4-F。进一步表明CPhGs可通过调控Bcl-2、Bax表达水平促进耐药荷瘤裸鼠肿瘤组织细胞的凋亡。
3 讨论
OS患者化疗耐药及免疫功能低下是OS临床治疗面临的瓶颈问题。目前,抗肿瘤药物的作用机制主要是促进肿瘤细胞凋亡,该过程是化疗有效性的直接体现;另一方面,机体免疫力是患者耐受化疗药物的有力保障。因此,研究如何有效促进耐药OS细胞凋亡与减少化疗所致的免疫功能损伤至关重要。
肉苁蓉具有温肾填精、润肠、抗氧化、提高免疫力的药理作用。张洪泉等[11]于1988年报道了肉苁蓉水提取物具有改善小鼠免疫能力、激发小鼠免疫功能器官,如胸腺的发育功能;后续的体内研究进一步发现肉苁蓉多糖具有抗肺癌、抗肉瘤的作用[12]。研究发现,肉苁蓉的主要成分CPhGs具有抗氧化、抗衰老、神经保护、提高免疫力、保肝护肝和治疗生精障碍等药理学作用[13],还对肝癌、肺癌、乳腺癌和卵巢癌等多种恶性肿瘤具有抗肿瘤及促进免疫功能的作用[14]。课题组前期研究发现,肉苁蓉在体外水平可通过降低MRP1及突变型P53蛋白的表达促进耐药OS细胞的凋亡[15]。本研究发现,药物处理组肿瘤体积及重量较模型组相比均减小,不同浓度CPhGs组及MTX-CPhGs组的肿瘤体积较MTX组也有所缩小,抑瘤率随之升高。这表明CPhGs可明显抑制耐药OS荷瘤小鼠肿瘤组织的生长,且抑制作用与CPhGs浓度呈正相关。此结果与候晓甜等[16]的CPhGs抑制H22肝癌小鼠皮下移植瘤生长研究结果基本一致。
免疫功能与肿瘤的发生发展密切相关。IL-2是免疫系统中的一类细胞生长因子,能通过促进T细胞增殖分化提高机体的免疫机能,并产生具有抗肿瘤活性的免疫细胞[17]。TNF-α通过与受体结合诱导肿瘤细胞凋亡、增强宿主免疫功能、作用于肿瘤血管内皮细胞、增加血管通透性、诱发程序性死亡,继而引起肿瘤出血坏死等发挥抗肿瘤作用[18]。通过分析各组小鼠血清IL-2、TNF-α的表达,发现不同浓度CPhGs组、MTX-CPhGs组荷瘤模型小鼠血清TNF-α、IL-2表达水平均显著增高。这提示CPhGs可能通过调控TNF-α、IL-2表达水平改善耐药OS荷瘤小鼠免疫功能,抑制耐药骨肉瘤细胞增殖,进而发挥抗肿瘤作用。
PI3K/AKT/mTOR信号通路中AKT磷酸化可直接或间接调控Bcl-2基因家族、X-连锁凋亡抑制蛋白(XIAP)、鼠双微基因2(MDM- 2)、Bcl-2相关X蛋白(Bax)等一系列凋亡相关因子[19]。异常激活的PI3K/AKT/mTOR信号通路能上调膜转运蛋白ABCB1和ABCC1的表达,从而降低化疗疗效,介导OS细胞对化疗药物耐药性的产生[20]。多种中药单体均可通过抑制PI3K/AKT/mTOR信号通路促进OS细胞凋亡,如原花青素B2、槲皮素、犀草素、松乳菇多糖等[21]。本研究发现,在MTX单独作用下,p-AKT蛋白表达也显著降低,而p-mTOR、p-PI3K蛋白表达未见显著差异,说明MTX对耐药荷瘤裸鼠肿瘤组织中PI3K/AKT/mTOR信号通路影响较小。而不同浓度CPhGs组及MTX-CPhGs组耐药OS荷瘤裸鼠肿瘤组织中p-AKT、p-mTOR、p-PI3K蛋白表达较模型组均降低,相较于MTX组,p-AKT、p-mTOR、p-PI3K蛋白表达也显著降低,揭示了CPhGs对耐药OS细胞的PI3K/ AKT/mTOR信号通路有显著抑制作用。通过流式细胞术检测肿瘤组织的细胞凋亡情况,发现药物干预后各组肿瘤组织凋亡率均显著升高。通过检测Bax、Bcl-2蛋白表达,发现不同浓度CPhGs组及MTX-CPhGs组耐药OS荷瘤裸鼠肿瘤组织中Bax表达水平均显著增高,而MTX-CPhGs组、CPhGs-H组及CPhGs-M组模型小鼠肿瘤组织Bcl-2表达显著降低。这提示一定浓度的CPhGs在体内可能通过抑制PI3K/ AKT/ mTOR信号通路,下调Bcl-2表达并上调Bax表达促进耐药OS细胞的凋亡。
综上,CPhGs在体内可促进抑制耐药OS细胞的凋亡、抑制肿瘤的生长,其机制可能是通过抑制PI3K/AKT/mTOR信号通路,调控Bcl-2、Bax的表达而实现。同时,CPhGs可通过上调TNF-α与IL-2的表达水平改善耐药OS荷瘤小鼠的免疫功能,从而发挥协同抗肿瘤的作用,但其临床应用潜力仍有待进一步探索研究。
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