不同黄酮类单体对CHO 细胞早期损 伤作用的比较研 究

2014-01-18 08:33赵晓红
食品科学 2014年11期
关键词:膜电位绿原单体

刘 涛,孙 健,郭 辰,赵晓红,*

(1.首都师范大学生命科学学院,北京 100048;2.北京联合大学功能食品研究 院,北京 100191)

不同黄酮类单体对CHO 细胞早期损 伤作用的比较研 究

刘 涛1,孙 健2,郭 辰2,赵晓红2,*

(1.首都师范大学生命科学学院,北京 100048;2.北京联合大学功能食品研究 院,北京 100191)

选用竹叶中4 种黄酮单体荭草苷、异荭草苷、绿原酸和阿魏酸,在各毒性剂量下作用于中国仓鼠卵巢(Chinese hamster ovary,CHO)细胞,通过检测其对细胞早期损伤指标——线粒体功能变化的影响,以评估其细胞损伤作用。CCK-8检测法测得4 种单体物质对CHO细胞的IC50值分别是:绿原酸2 726.11 μmol/L、阿魏酸1 680.28 μmol/ L、荭草苷1 889.15 μmol/L、异荭草苷2 358.56 μmol/L。在各单体IC50、1/2 IC50值、1/4 IC50值、1/8 IC50值剂量下,线粒体膜电位变化具有剂量依赖性,其中以阿魏酸降低幅度最明显,绿原酸次 之,荭草苷和异荭草苷变化较小;三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)生成量与作用剂量成负相关,阿魏酸致ATP生成量降低最多,荭草苷次之,绿原酸和异荭草苷影响较小;细胞色素 C的释 放量,以阿魏酸最大,荭草苷和异荭草苷次之,绿原酸的最小。研究表明4种单体物质都对线粒体产生了一定的损伤,其中阿魏酸对线粒体影响最大,荭草苷和异荭草苷次之,绿原酸最小。

细胞色素C;线粒体膜电位;三磷酸腺苷;线粒体损伤;绿原酸;阿魏酸;荭草苷;异荭草苷

竹叶提取物是我国新开发的一类资源,其主要的生理活性成分包括竹叶黄酮及其苷类、活性多糖、矿物质及茶多酚等[1]。竹叶黄酮是由黄酮类、内酯类和酚酸类化合物组成的混合物,其中黄酮类的代表物质是荭草苷、异荭草苷,内酯类的代表物质是绿原酸、咖啡酸和阿魏酸等,这些单体物质都具有多方面的活性[2]。大量流行病学和实验研究结果表明竹叶黄酮具有抗炎、抗氧化、防腐抗菌、预防动脉粥样硬化等生物活性,尤其对于肿瘤的抑制具有显著作用[3-8]。

目前关于荭草苷、异荭草苷、绿原酸和阿魏酸这4种单体物质的研究主要集中在它们有益的一面,对于有害一面的毒性评价研究资料较少,而在毒剂量下作用于正常细胞的早期损伤指标的研究更是未见报道。研究植物活性物质毒性,常用的方法主要为常规毒性评价方法和早期细胞反应实验。常规毒性评价方法主要为动物实验,如急性毒性、小鼠微核实验和小鼠精子畸形实验等,早期细胞反应研究可预测体内毒性反应,如细胞应激反应、酶活性变化、线粒体损伤。

在细胞中,线粒体不仅是能量提供中心,而且具有其他多种重要的生理功能,如控制中间代谢,钙离子稳态,细胞增殖生长与凋亡等[9-10]。细胞的凋亡和生长的过程均需要能量,线粒体是机体产生能量的重要场所,细胞进行生命活动95%的能量来源于它。DNA的损伤造成复合酶的活性下降,直接导致ATP生成减少[11]。胞内活性氧(reactive oxygen species,ROS)的产生大多数来源于线粒体,当ROS增加并超出临界值时,就导致膜通透性的改变、膜间因子和膜上各种蛋白的释放,从而引起细胞的转化或死亡。存在于膜间的Cyt C是线粒体介导的细胞凋亡途径中不可缺少的重要因子,在凋亡过程中起着关键作用[12]。

当前对于线粒体损伤的检测手段多种多样。采用电镜实验观察线粒体异常时的嵴型变化、基质凝缩等情况[13-14];聚合酶 链式反应(polymerase chain reaction,PCR)和核酸杂交(Southern blotting)检测mtDNA缺失突变[15-16];对线粒体渗透性转换孔的检测方法有膜片钳技术法、活性物质标记法、分光光度法等[17];线粒体膜电位的变化检测可以采用JC-1探针[18];ROS的检测主要采用四大类方法:化学发光法、荧光探针、电子自旋共振和分光光度法[19];目前对于ATP的检测主要采用生物荧光技术,该法根据荧光素、荧光素酶在ATP作用下,发生荧光反应,利用荧光光度计检测其发光强度[20]。

本实验采用黄酮类4种单体物质绿原酸、阿魏酸、荭草苷和异荭草苷作用于CHO细胞,CCK-8实验得到细胞存活率,计算出IC50值,以IC50值为毒性剂量上限,倍比稀释后,1/2 IC50值、1/4 IC50值、1/8 IC50值剂量为实验浓度,作用细胞24h后,检测毒性剂量下4种单体对CHO细胞线粒体损伤以及细胞凋亡的影响,并比较4种单体的线粒体毒性以及发现细胞损伤的早期指标。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

绿原酸、阿魏酸、荭草苷和异荭草苷 美国Sigma公司;CHO细胞株 美国GE Healthcare公司;F-12 培养基、胎牛血清(fetal bovine serum,FBS) 美国Gibco公司;青链霉素(Penicillin-Streptomycin,PS)、胰蛋白酶(0.25% trypsin) 美国Invitrogen公司;CCK-8 日本Dojindo公司;ROS检测试剂盒 中国普利莱基因有限公司;ATP检测试剂盒 中国碧云天生物技术研究所;细胞凋亡检测试剂盒 中国宝赛生物技术有限公司;Cytochorme C单克隆抗体 中国博奥森有限公司;羰酰氰氯苯腙(carbonylcyanidem-chlorophen- ylhydrazone,CCCP) 美国Alfa Aesar公司。

1.2 仪器与设备

超净工作台 北京百剑空气净化设备厂;Forma 3110系列CO2培养箱 美国Thermo Electron公司;TE2000-M倒置显微镜 日本Nikon公司;MLS-3750型高温蒸汽灭菌锅 日本Sanyo公司;5840R冷冻离心机德国Eppendorf公司;MQX200微板分光光度计 美国Bio-Tek公司。

1.3 方法

1.3.1 细胞增殖率测定

Cell Counting Kit-8(CCK-8)细胞活性检测试剂中包括有WST-8,在电子载体1-甲氧基-5-甲基吩嗪鎓硫酸二甲酯(1-methoxy PMS)的作用下,细胞线粒体中的脱氢酶可以将WST-8还原为具有高度水溶性的黄色甲瓒产物(Formazan)。反应生成的甲瓒产物的数量与活细胞的数量成正比。采用酶联免疫检测仪在450nm波长处测定其OD值,可间接反映活细胞数量。

取指数生长期的CHO细胞,消化计数后,以5×104个/mL的细胞密度,接种于96 孔培养板(100μL/孔),置于37 ℃、5% CO2培养箱培养24 h;弃上清,用PBS液洗1~2遍,加入90 μL/孔不含小牛血清的各浓度的样品(实验组),每个浓度设6 个平行,培养24 h;设置不加样品的对照组。直接向每孔加入10 μL的CCK-8溶液,轻轻混匀(注意不要在孔中生成气泡,以免影响OD值读数,造成结果误差);置于37 ℃、5%CO2培养箱培养4h;用MQX200微孔板分光光度计检测激发波长为450nm的每孔的OD值。以无细胞的CCK-8溶液为空白组。按下式计算细胞增殖率。

1.3.2 线粒体膜电位的检测

JC-1是一种广泛用于线粒体膜电位检测的阳离子脂质荧光染料,可以很好的指示膜电位的变化。JC-1有单体和多聚体两种存在状态,当线粒体膜电位较低时,它以单体的形式存在;当膜电位较高时,它以多聚体形式存在。单体的最大激发波长为514 nm,最大发射波长为529 nm,可采用流式细胞仪绿色(FL-1)通道检测出绿色荧光;多聚体的最大激发波长为535 nm,最大发射波长为590 nm,可被流式细胞仪的红色(FL-2)通道检测到荧光。

操作同流式细胞仪凋亡检测,收集细胞,然后每管加入100 μL JC-1染色液,轻轻弹动离心管至均匀后,室温避光孵育20 min;孵育结束后每管加入500 μL的PBS缓冲液,流式细胞仪检测各组JC-1的荧光强度,每个样本收集10 000 个细胞进行分析,CCCP作为阳性诱导剂处理正常细胞;数据采用Cell Quest TM软件分析,结果以FL2/FL1(红/绿荧光)的比值表示。

1.3.3 细胞内ATP的检测

同上收集细胞,根据试剂盒操作说明书处理细胞,将裂解液在冰上完全裂解细胞后,13 000 r/min,离心10 min;离心过后的样品置于冰上放置,取96 孔板在每孔内加入100 μL试剂盒内的ATP检测缓冲液,静置5 min;取上清细胞裂解液,10 μL每孔加入到缓冲液内,同时检测不同组的蛋白浓度;迅速的采用荧光酶标仪检测,记录读数,计算出每组ATP的量(μmol/μg),结果以空白组为1,其余各组用与空白组相对比较值表示。

1.3.4 Western blotting检测细胞色素C的表达

分别采用 4种单体物质不同浓度的IC50、1/2 IC50、1/4 IC50、1/8 IC50值处理CHO细胞24h后,采用Western blotting检测胞内细胞色素C的浓度。在将细胞按要求处理过后,分组为空白组、阳性对照组和4 种单体不同IC50值组。4 种单体处理细胞24 h后,收集细胞,4 ℃、800~1 000 r/min,离心5 min,弃去上清液,沉淀加入含有PMSF的裂解液,混匀细胞,于冰上裂解30 min,快速的4 ℃下13 000 r/min离心15 min,得到的上清液加入上样缓冲液,煮沸后进行SDS-PAGE电泳,然后将蛋白转至PVDF膜上。加入封闭液(1×PBST中加入5 g/100 mL的BSA),室温摇床下封闭PVDF膜1h;加入Cyt C一抗4℃孵育过夜,PBST洗脱3 次,再与HRP标记的二抗室温孵育1 h,PBST洗脱3 次,ECL发光液反应,显影。应用ImageQuant RT ECL凝胶成像系统获取蛋白条带图像后,Quantity One软件进行分析,以细胞色素C与β-actin蛋白条带的灰度值之比作为指标,再以空白对照组的灰度值得出目的蛋白表达相对于内参的定量结果。

1.4 数据处理

应用Excel进行数据整理,SPSS17.0进行描述性统计分析,所得结果用±s表示,采用t检验进行两组均数比较;各样品浓度与对照组比较采用单因素方差分析中的Dunnetts检验;IC50值采用回归中概率单位分析。

2 结果与分析

2.1 4种单体物质对CHO细胞增殖率的影响

表1 不同浓度的4种单体物质对CHO细胞增殖率的影响(x±s,n=3)Table1 Effect of four substances at different concentrations on the viability of CHO cellss (x ±s,nn == 33))

4 种单体物质作用于CHO细胞24 h后,CCK-8检测后计算得出4 种单体物质的IC50值分别是:绿原酸2 726.11 μmol/L、阿魏酸1 680.28 μmol/L、荭草苷1 889.15 μmol/L、异荭草苷2 358.56 μmol/L。由此可以看出,4种单体物质的细胞毒性都不大。由表1可知,随着剂量的加大,细胞增殖率下降,浓度小于800 μmol/L时荭草苷处理组细胞增殖率最低;大于800 μmol/L时阿魏酸最低。IC50值越小,细胞毒性越大;增值率越大,细胞毒性越小。因此,可以得出这4 种单体物质中阿魏酸的CHO细胞毒性作用最大,绿原酸的最小。

2.2 不同剂量的4种单体对CHO细胞线粒体膜电位的影响

图1 不同剂量下4种单体物质对CHO细胞线粒体膜电位的影响Fig.1 Effects of four substances at various doses on mitochondrial membrane potential of CHO cells

由图1可知,由JC-1染色的细胞,经流式细胞仪收集分析,得到的散点图包括4个象限。染色后收集细胞采用红色的FL-2通道,线粒体膜电位较高时,细胞处于右上象限,膜电位下降的细胞处于右下象限,两者的荧光比值就可以反应出受损细胞线粒体膜电位的下降情况。

图2 不同剂量下4种单体物质对CHO细胞线粒体膜电位影响的比较Fig.2 Effects of four substances at various doses on mitoc hondrial membrane potential of CHO cells

由图2可知,阿魏酸对膜电位的影响最大,绿原酸次之,荭草苷与异荭草苷的最小,单因素方差分析4种单体在各毒性剂量下的比较均无显著性差异(P>0.05)。

表2 不同剂量下4种单体处理的CHO细胞线粒体膜电位变化(x±s,n=3)Table2 Change in mitochondrial membrane potential of CHO cells treated with four substances at various doses(x ±s,nn == 33))

由表2可知,4种单体物质在各自的IC50值浓度下处理CHO细胞24h后,荧光比值与空白组比较,阿魏酸呈极显著差异,绿原酸、荭草苷和异荭草苷呈显著性差异;在1/2 IC50值浓度处理下,阿魏酸呈显著性相关,其他3种单体无显著性差异;随着浓度的下降,4种单体物质处理细胞,对其线粒体膜电位影响与空白组均无显著性差异。

2.3 不同剂量的4种单体对CHO细胞内ATP的影响

图3 不同剂量下4种单体物质对CHO细胞内ATP相对含量的影响Fig.3 Effects of four substances at various doses on ATP levels of CHO cells

由图3可知,不同浓度的4种单体物质作用于CHO细胞24h后,与空白组比较,胞内ATP的生成量减少,随浓度的降低,胞内ATP量增多,但均小于空白组。在IC50值浓度下,阿魏酸作用于细胞生成的ATP最少,相对比值为0.64,荭草苷为0.75,它们与空白组比较均呈极显著性差异;绿原酸的最大为0.85,异荭草苷为0.81,它们与空白组比较呈显著性差异;浓度降至各自的1/4 IC50时候,4种单体作用产生的ATP与空白组比较无显著性差异。由此可知,4种单体物质在毒性剂量下对胞内ATP的影响,阿魏酸的最大,荭草苷和异荭草苷次之,绿原酸的最小。通过单因素方差分析比较,IC50剂量下阿魏酸与绿原酸呈极显著差异(P<0.01),与异荭草苷有显著性差异(P<0.05),与荭草苷无显著性差异(P>0.05),1/2与1/4 IC50剂量下4种单体之间比较均无显著性差异(P>0.05)。

2.4 不同剂量的4种单体对CHO细胞细胞色素C的影响

图4 不同剂量下4种单体物质对CHO细胞内细胞色素C的影响Fig.4 Effects of four substances at various doses on cytochrome C release of CHO cells

图5 不同剂量下4种单体物质对CHO细胞内细胞色素C的影响Fig.5 Effects of four substances at various doses on cytochrome C release of CHO cells

由图4、5可知,不同浓度的4种单体物质处理CHO细胞24h后,对细胞色素C的释放具有不同的影响。绿原酸与异荭草苷的IC50、1/2 IC50、1/4 IC50、1/8 IC50下处理,与空白组比较均无显著性差异;阿魏酸IC50浓度处理下与空白组比较具有极显著差异,1/2 IC50浓度处理下具有显著性差异,其余处理无差异;荭草苷在IC50浓度处理下与空白组比较具有显著差异,其余<浓度组处理无显著性差异。由此可知,4种单体作用后细胞色素C释放量,阿魏酸最大,荭草苷和异荭草苷次之,绿原酸的最小,且4种单体物质在相同毒性剂量下相互比较,均无显著性差异(P>0.05)。

3 讨 论

本实验探讨了4种黄酮单体荭草苷、异荭草苷、绿原酸和阿魏酸对细胞早期损伤指标——线粒体功能变化的影响,实验发现,4种单体物质处理CHO细胞24h后,在1/4 IC50值浓度下与空白组比较各线粒体损伤指标变化都无显著性差异;在1/2 IC50值浓度下细胞色素C释放与空白组比较无显著性差异,膜电位变化,阿魏酸呈显著性差异,其他单体无显著性差异,ATP的下降阿魏酸和荭草苷呈显著性差异,其他无显著性差异,说明相同剂量下,ATP的变化在反应线粒体损伤方面比膜电位和细胞色素C的释放更敏感。

氧化磷酸化发生的主要场所是线粒体,因此线粒体与ATP的合成关系密切。在一些外界因素刺激下,细胞中会出现大量过氧化物的积累,过多的氧自由基,使细胞及线粒体出现膜脂质过氧化,导致线粒体受损,功能异常,ATP生成小于分解,进一步的反应还会使膜磷脂分解[21]。线粒体膜电位、ROS和ATP的变化说明了是线粒体损伤后造成了这一系列的结果,因为它们之间存在相互关联,这与以往文献[21-22]报道相一致。

作为胞内的能量工厂,90%的ATP通过氧化磷酸化在此产生。在这个过程中,氧化呼吸链障碍会造成“电子漏”,生成的O2会被氧化成超氧阴离子,因此它是胞内大多数ROS的来源。另一方面,存在于氧化呼吸链上的细胞色素C负责将电子由复合物Ⅲ传递到复合物Ⅳ[23],细胞色素C的结果可以看出不同剂量处理改变并没有其他指标那么明显,这或许是因为它的释放具有其他的控制因素,同时它的释放在ROS产生,以及ATP下降之后,但是从凋亡结果仍可以看出线粒体损伤参与了CHO细胞凋亡过程的发生。

本实验第一次比较了4种黄酮类单体的线粒体毒性,得出结论为:阿魏酸的线粒体毒性最大,绿原酸的最小。线粒体相关指标与细胞凋亡率的比较看出,这4种物质作用于CHO 细胞后,线粒体调控了凋亡的发生,它们不仅仅导致了ROS的过量产生,还引起了ATP、膜电位的下降和细胞色素C的增多,然后通过凋亡等反应去应对线粒体损伤造成的各种细胞功能障碍。

线粒体与细胞凋亡之间存在着千丝万缕的联系,线粒体膜电位、ATP、细胞色素C的这些变化当不处于细胞所能调控的范围之内,细胞将启动保护功能除去这些受损的线粒体甚至细胞,以保证组织和机体的正常生命活动,但是目前的一些探索也仅仅只是停留在浅层,相互之间更深的联系还有待进一步的研究。

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Comparison of Early Damage of CHO Cells in the Presence of Different Flavonoid Monomers

LIU Tao1, SUN Jian2, GUO Chen2, ZHAO Xiao-hong2,*
(1.School of Life Science, Capital Normal University, Beijing 100048, China; 2.Research Institute for Science and Technology of Functional Foods, Beijing Union University, Beijing 100191, China)

The cytotoxicity of four types of flavonoid monomers, namely chlorogenic acid, ferulic a cid, orientin and isoorientin on Chinese hamster ovary (CHO) cells wa s detected and compared by CCK-8 test and the IC50values were calculated by Exact Probability. The mitochondrial membrane potential, the production of ATP and the release of cytochrome C were used as the parameters to indicate early cellular damage. The results showed that IC50of chlorogenic acid, ferulic acid, orientin and isoori entin was 2 726.11, 1 680.28, 1 889.15 and 2 358.56 μmol/L, respectively. At experimental doses of IC50, 1/2 IC50, 1/4 IC50, and 1/ 8 IC50for these four monomers, the change of mitochondrial membrane potential was in a dose-dependent manner. Meanwhile, ferulic acid resulted in the largest decease in mitochondrial membrane potential, followed by chlorogenic acid, orientin and isoorientin. The production of ATP was negatively correlated with the dose of f avonoids, which was inhibited by ferulic acid, orientin, chlorogenic acid and isoorientin in this decreasing order. In the case of cytochrome C release, the decreasing order was ferulic acid, orientin, isoorientin and chlorogenic acid. In summary, all the four f avonoids can result in mitochondrial damage at higher or lower levels. Ferulic acid has the highest mitochondrial toxicity, followed by orientin, isoorientin and chlorogenic acid. The change of mitochondrial function may be considered as an index of early cellular damage.

cytochrome C; mitochondrial membrane potential; adenosine triphosphate; mitochondrial damage; chlorogenic acid; ferulic acid; orientin; isoorientin

Q946.8;Q255

A

1002-6630(2014)11-0223-06

10.7506/spkx1002-6630-201411045

2013-10-25

北京市教委科技发展计划重点项目(KZ201211417041)

刘涛(1987—),男,硕士研究生,研究方向为细胞生物学。E-mail:Lionat711@sina.com

*通信作者:赵晓红(1961—),女,研究员,博士,研究方向为食品功能与毒理学。E-mail:xiaohong@buu.edu.cn

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