2. 山东省青岛圣德脑血管病医院, 山东 青岛 266100;
3. 青岛市李沧区圣德老年护养院, 山东 青岛 266100;
4. 青岛大学医学院医学营养研究所, 山东 青岛 266021
2. Shengde Cerebrovascular Disease Hospital, Qingdao Shandong 266100, China;
3. Shengde Geriatric Nursing Homes, Qingdao Shandong 266100, China;
4. The Institute of Human Nutrition, Medical College of Qingdao University, Qingdao Shandong 266021, China
长期过量酒精摄入可导致酒精性肝病(alcoholic liver disease,ALD)的发生。ALD发病机制复杂,其中以细胞色素P450 2E1(CYP2E1) 活化及其引发的氧化应激损伤学说备受关注[1, 2, 3]。研究证实,萜类化合物具有抗炎、抗氧化、保肝等多种生物学活性[4, 5]。本实验室从三列凹顶藻中成功提取海洋天然活性物质溴代倍半萜海兔素,并对其保肝作用进行了研究。动物实验结果表明,适宜剂量的海兔素可通过增强抗氧化能力、抑制CYP2E1活性及蛋白表达等,缓解氧化应激及脂质过氧化反应,对酒精诱导的大鼠肝组织损伤发挥良好保护作用[6],但关于海兔素在肝细胞内抗氧化生物效应则少见报道。本实验以海兔素为干预物,观察其对酒精诱导的原代培养大鼠肝细胞损伤的保护作用,及其在细胞水平对CYP2E1活化及氧化应激的影响。
1 材料与方法 1.1 试剂与仪器海兔素由本实验室从三列凹顶藻中提取纯化,并经IR、13C- NMR,1H-NMR鉴定为溴代倍半萜海兔素(Aplysin)。无水乙醇(北京国药集团化学试剂有限公司);Ⅳ型胶原酶(Sigma);Percoll(Solarbio);AST、LDH、MDA、SOD、GSH检测试剂盒(南京建成生物工程研究所);Annexin V-FITC细胞凋亡检测试剂盒、线粒体膜电位检测试剂盒(江苏碧云天生物技术研究所);CYP2E1活性检测试剂盒(上海杰美基因医药科技有限公司);兔抗CYP2E1 多克隆抗体(Abcam);小鼠抗GAPDH多克隆抗体(北京中杉金桥生物技术有限公司)。荧光显微镜(日本Olympus公司);ELx808型酶标仪(美国BioTek公司);TRANS-BLOT SD电转膜仪(美国Bio-Rad公司); UVI凝胶成像系统(英国UVItec公司)。
1.2 大鼠原代肝细胞的获取与培养♂ Wistar大鼠(180~200 g) ,购自山东鲁抗医药股份有限公司,动物合格证号为SCXK鲁20130001。适应性喂养1周后,采用门静脉胶原酶Ⅳ原位灌注术及Percoll密度梯度离心技术分离纯化大鼠原代肝细胞,具体步骤如下。大鼠麻醉后打开腹腔,游离肝脏并行门静脉留置针穿刺,用37 ℃预温的Hanks’平衡盐溶液350 mL,以34 mL·min-1流速灌注肝脏,直至肝脏变成土黄色。再以0.5 g·L-1胶原酶Ⅳ以同样流速继续灌注20 min。摘取肝脏,去除包膜,将细胞团块轻柔地散落于4 ℃ Hanks’平衡盐溶液中,200 μm 尼龙网过滤,4 ℃,150×g离心3 min,弃上清。将细胞沉淀加入DMEM/F12全培养液中(含体积分数为0.1的胎牛血清),沿管壁小心将肝细胞悬液加入含体积分数为0.6的Percoll液表面,4 ℃,600×g离心15 min。吸弃上层死细胞及其它杂质,保留下层纯化的肝细胞,加入DMEM/F12全培养液重悬细胞,即得到主要为肝实质细胞的细胞悬液。行台盼蓝染色并计数,存活肝细胞占0.90 以上时可用于后续实验。将新鲜获取的肝细胞接种于涂有鼠尾胶原的96 孔培养板(1×104/孔)或6孔培养板(1×106/孔),在37 ℃、5% CO2,高糖DMEM/F12全培养液(含青、链霉素,0.1 μmol·L-1氢化可的松,32 IE·L-1胰岛素,体积分数为0.1的胎牛血清,15 mol·L-1 HEPES液)中培养。4 h后更换新鲜培养液,继续培养20 h用于后续实验。
1.3 乙醇及海兔素剂量的筛选 1.3.1 乙醇剂量的筛选于96 孔板贴壁培养20 h 的肝细胞中,分别加入终浓度为0、100、200、300、400、500、600、700、800、900 mmol·L-1的无水乙醇,每个浓度设6 个平行复孔。于37 ℃、5% CO2培养4 h,每孔加入5 g·L-1 MTT 20 μL,继续培养 4 h,共持续8 h。培养结束后,吸弃上清液,每孔加入150 μL 二甲亚砜,室温避光静置10 min。于酶标仪490 nm 处测定各孔吸光度值(A)。细胞活力与吸光度值呈正比,实验重复3 次。
1.3.2 海兔素剂量的筛选于96 孔板贴壁培养20 h 的肝细胞中,分别加入终浓度为0、10、15、20、25、30、35、40、45、50 mg·L-1 的海兔素,每个浓度设6 个平行复孔。于37 ℃、5% CO2培养4 h,通过以上MTT 实验筛选出海兔素最佳作用剂量。实验持续8 h,重复3 次。
1.4 大鼠原代肝细胞酒精损伤模型的建立与海兔素干预实验于6 孔或96 孔板中贴壁培养20 h 的肝细胞中,加入终浓度为30 mg·L-1的海兔素。于37 ℃、5% CO2孵育2 h后,加入终浓度为300 mmol·L-1的无水乙醇,与海兔素继续共同作用8 h,同时设置正常对照组和酒精损伤组。作用完成后,对细胞及上清液进行相应处理,用于后续实验。6 孔板每个浓度设3 个平行复孔,96 孔板每个浓度设6 个平行复孔,实验重复3 次。
1.5 海兔素对大鼠原代肝细胞酒精损伤细胞活力及受损程度影响采用MTT 实验检测各组肝细胞活力。采用酶法检测上清液中谷草转氨酶(AST)和乳酸脱氢酶(LDH)水平,具体步骤按试剂盒说明操作。
1.6 海兔素对大鼠原代肝细胞酒精性氧化损伤的影响采用体积分数为0.01的Triton-X 100 裂解肝细胞,通过黄嘌呤氧化酶法测定超氧化物歧化酶(SOD)活力;硫代巴比妥酸比色法测定丙二醛(MDA)含量;DNTB比色法测定谷胱甘肽(GSH)水平;考马斯亮兰法进行蛋白定量。具体步骤按试剂盒说明操作。
1.7 海兔素对大鼠原代肝细胞酒精诱导细胞凋亡的影响采用流式细胞术检测肝细胞凋亡情况。收集肝细胞,调整细胞密度为1×109·L-1,吸取100 μL细胞悬液于分析试管中,加入5 μL FITC Annexin V和5 μL PI 溶液,室温避光孵育15 min。加入400 μL 缓冲液,通过流式细胞仪分析细胞凋亡情况。数据经WinMDI2.9软件分析,对细胞凋亡情况进行评价。
1.8 海兔素对大鼠原代肝细胞酒精诱导DNA损伤的影响采用单细胞凝胶电泳技术检测肝细胞DNA损伤。收集肝细胞,调整细胞密度为1×109·L-1,吸取100 μL细胞悬液,4 ℃、800×g离心5 min,将肝细胞沉淀重悬于1 mL 质量浓度为10 g·L-1低熔点琼脂糖中,取75 μL滴加于预先铺设质量浓度为10 g·L-1标准熔点琼脂糖的毛玻璃片上,盖上盖玻片,置于4 ℃湿盒5 min。移去盖玻片,将载玻片浸于预冷细胞裂解液(pH=10)中,4 ℃裂解1 h。将载玻片缓慢浸入电泳缓冲液(pH=13)中,4 ℃ 解旋40 min后,4 ℃,18 V电泳20 min。将载玻片浸入中和缓冲液中,4 ℃放置15 min。取出载玻片,滴加1 mg·L-1 DAPI,4 ℃湿盒避光放置20 min,于荧光显微镜下观察肝细胞DNA损伤状况,并采用CASP软件进行分析。根据肝细胞彗星尾DNA所占细胞总DNA百分比,将DNA损伤分为0 ~ Ⅳ级: < 0.05为0级,0.05~0.2为Ⅰ级,0.21~0.4为Ⅱ级,0.41~0.95为Ⅲ级,>0.95为Ⅳ级。
1.9 海兔素对大鼠原代肝细胞酒精损伤线粒体膜电位的影响将预置盖玻片6 孔板中贴壁生长的肝细胞,加入1 mL培养液和1 mL JC - 1染色工作液,37 ℃、5% CO2孵育20 min,吸除上清,加入2 mL培养液,于荧光显微镜下观察肝细胞线粒体膜电位变化。
1.10 海兔素对大鼠原代肝细胞酒精损伤CYP2E1活性的影响收集肝细胞,调整细胞密度为1×109·L-1,采用比色法检测肝细胞CYP2E1活性,测定步骤严格按试剂盒说明进行。
1.11 海兔素对大鼠原代肝细胞酒精损伤CYP2E1蛋白表达水平的影响收集肝细胞,加入150 μL细胞裂解液提取总蛋白,BCA法测定样品中蛋白浓度。蛋白样品每孔上样15 μg,经SDS-PAGE电泳分离后,电转至PVDF膜。以质量浓度为50 g·L-1脱脂奶粉封闭2 h,加入一抗(CYP2E1,1 ∶1 000;GAPDH,1 ∶8 000),4 ℃孵育过夜。加入二抗溶液(1 ∶8 000),室温孵育1 h,化学发光试剂盒显影,Quantity One version 4.4软件进行图像分析,以GAPDH作为内参照。
1.12 统计学处理采用SPSS 17.0统计软件进行数据统计分析,多组比较采用单因素方差分析。
2 结果 2.1 大鼠原代肝细胞分离培养大鼠肝组织经门静脉原位灌注后由暗红色变为土黄色,肝被膜下可见明显龟背状裂隙(Fig1)。此外,台盼蓝染色计数结果显示,活细胞产量为(2.0±0.7)×107/肝,存活肝细胞均占0.90以上,可用于后续实验。
2.2 乙醇及海兔素剂量筛选MTT结果显示,100、200 mmol·L-1酒精模型组肝细胞活力分别较正常对照组(A=0.561±0.029)降低了1.07%和2.49%,经统计学处理,差异无显著性(P>0.05);300~900 mmol·L-1酒精模型组细胞活力分别较正常对照组下降了8.73%~76.47%,差异均具有显著性(P < 0.05)。因此,选择300 mmol·L-1乙醇剂量用于后续实验。此外,在肝细胞中加入海兔素后,10~30 mg·L-1海兔素组细胞活力与正常对照组(A=0.534±0.028)比较,差异均无显著性(P>0.05);35~50 mg·L-1海兔素组细胞活力则较正常对照组下降了7.31%~63.86%,差异具有显著性(P < 0.05)。因此,选择30 mg·L-1海兔素剂量用于后续实验。见Fig2。
2.3 海兔素对大鼠原代肝细胞酒精损伤细胞活力的影响MTT 结果显示,酒精模型组细胞活力较正常对照组(A=0.566±0.018)下降了8.83%,海兔素干预组则较酒精模型组(A=0.516±0.021)上升了7.56%,经统计学处理,差异均具有显著性(P < 0.05)。见Fig3。
2.4 海兔素对大鼠原代肝细胞酒精损伤AST及LDH漏出的影响结果显示,酒精模型组AST和LDH漏出分别为正常对照组的2.44倍和2.76倍,海兔素干预组AST和LDH的释放较酒精模型组降低了23.10%和48.01%,经统计学处理,差异具有显著性(P < 0.05)。 见Tab1。
Group | AST/U·L -1 | LDH/U·L -1 | SOD/kU·g -1 Pro | GSH/mg·g -1 Pro | MDA/μmol·g -1 Pro |
Control | 1.56±0.18 | 4.37±0.26 | 5.36±0.38 | 124.18±5.15 | 1.24±0.15 |
Ethanol | 3.81±0.32 | 12.08±0.73 * | 1.86±0.13 * | 78.96±5.37 * | 3.57±0.38 * |
Aplysin | 2.93±0.25 *# | 6.28±0.89 *# | 4.37±0.29 *# | 118.04±8.87 # | 2.98±0.20 *# |
* P < 0.05 vs control group; # P < 0.05 vs ethanol group |
结果显示,酒精模型组SOD和GSH水平分别较正常对照组降低了65.30%和36.41%,MDA水平则达到正常对照组的2.88倍。与酒精模型组比较,海兔素干预组SOD和GSH 水平升高了13.49%和49.49%,MDA含量则降低了16.53%,经统计学处理,差异均具有显著性(P < 0.05)。见Tab1。
2.6 海兔素对大鼠原代肝细胞酒精诱导细胞凋亡的影响结果显示,酒精模型组肝细胞凋亡率为(18.5±1.2)%,明显高于正常对照组凋亡率(0±1.0)%,海兔素干预组肝细胞凋亡率明显降低,达到(7.46±1.0)%,经统计学处理,差异均具有显著性(P < 0.05)。见Fig4。
2.7 海兔素对大鼠原代肝细胞酒精诱导DNA损伤的影响结果显示,正常对照组肝细胞0~Ⅰ级DNA损伤率达到98%,Ⅱ~Ⅲ级仅为2%,无Ⅳ级损伤。酒精模型组肝细胞0~Ⅰ级DNA损伤率明显降低,较正常对照组下降了37.2%,而Ⅱ~Ⅲ级和Ⅳ级损伤则明显增多,分别较正常对照组升高了14.3和7.9倍。海兔素干预组肝细胞0~Ⅰ级DNA损伤率较酒精模型组升高了19.5%,Ⅱ~Ⅲ级和Ⅳ级DNA损伤率则较酒精模型组分别下降了25.5%和53.2%(P < 0.05)。见Fig5、Tab2。
Group | DNA damage rate/% | ||||
0 level | Ⅰ level | Ⅱ level | Ⅲ level | Ⅳ level | |
Control | 94.7±6.8 | 3.3±0.7 | 1.0±0.2 | 1.0±0.1 | 0.0±0.0 |
Ethanol | 26.7±2.5 * | 34.8±0.9 * | 15.7±4.3 * | 14.9±1.6 * | 7.9±1.7 * |
Aplysin | 29.6±1.4 * | 43.9±1.1 *# | 12.6±1.5 * | 10.2±1.9 *# | 3.7±1.4 *# |
* P < 0.05 vs control group; # P < 0.05 vs ethanol group |
结果显示,正常对照组肝细胞出现橙红色荧光,而酒精模型组橙红色荧光较正常对照组明显减少,绿色荧光明显增多,海兔素干预组橙红色荧光则较酒精模型组增多,绿色荧光明显减少。见Fig6。
2.9 海兔素对大鼠原代肝细胞酒精损伤CYP2E1活性的影响结果显示,正常对照组CYP2E1活性为(38.67±4.53) μmol·g -1 Pro·min-1,酒精诱导后,肝细胞CYP2E1活性达到正常对照组的2.69倍,而海兔素干预组肝细胞CYP2E1活性较酒精模型组明显降低了23.44%,差异均具有显著性(P < 0.05)。见Fig7。
2.10 海兔素对大鼠原代肝细胞酒精损伤CYP2E1蛋白表达的影响结果显示,酒精模型组CYP2E1蛋白表达水平较正常对照组明显升高(P < 0.05),而海兔素干预组CYP2E1蛋白表达水平明显受到抑制,与酒精模型组比较,差异具有显著性(P < 0.05)。见Fig8。
3 讨论酒精被摄入机体后,约90%在肝脏代谢。作为一种强烈的氧化应激源,酒精在被代谢的同时也诱生出大量活性氧(ROS),引发氧化应激损伤,导致肝脏炎症、坏死甚至肝硬化,对机体造成严重不利影响[1, 7]。大量研究表明,萜类化合物具有高度抗氧化活性。本实验室前期研究表明,凹顶藻萜类化合物及其提取物溴代倍半萜海兔素对酒精引起的肝组织氧化损伤具有一定保护效应[5, 6]。为了进一步探讨海兔素在细胞水平所发挥的抗氧化生物效应,本研究以海兔素为干预物,观察其对原代培养大鼠肝细胞酒精性氧化损伤的保护作用及其可能的作用机制。
LDH和AST释放增加是肝细胞膜及线粒体损伤敏感评价指标之一。本研究结果显示,300 mmol·L-1乙醇作用于大鼠原代肝细胞8 h,其上清液中LDH和AST释放水平明显升高,而30 mg·L-1海兔素的干预减少了LDH和AST的释放,表明适宜剂量的海兔素对乙醇诱导的肝细胞损伤具有一定保护作用。
通常,机体由多种抗氧化酶和抗氧化剂组成一套完整的抗氧化系统,来清除体内多余的ROS和自由基或将其转化为无毒的代谢产物,使机体免遭氧化应激损伤。其中,GSH是细胞内最丰富的抗氧化剂及自由基清除剂[8],而SOD则被认为是维持机体氧化平衡,清除ROS的第一道防线。MDA是一种脂质过氧化终产物,也是活性氧对细胞膜损伤敏感评价指标之一。本研究结果显示,在乙醇作用下,大鼠原代肝细胞GSH被大量消耗,同时SOD活力亦明显下降,MDA含量则明显升高;而经海兔素预处理的原代肝细胞与乙醇共孵育8 h后,其抗氧化物质明显增多,MDA含量明显减少,表明海兔素干预可有效改善乙醇诱导所致的大鼠原代肝细胞氧化-抗氧化失衡状况,缓解肝细胞脂质过氧化损伤。
研究表明,酒精不但可诱导肝细胞发生氧化应激损伤,还可引发严重的凋亡损伤[9],这主要是由于酒精代谢过程中产生的大量ROS使线粒体膜电位降低,细胞色素C(cytochrome C)被更多地释放入胞质,引发caspase级联效应,从而诱导肝细胞发生凋亡。本研究通过流式细胞术、单细胞凝胶电泳技术及JC-1荧光染料对酒精诱导的大鼠原代肝细胞凋亡率、DNA[10]及线粒体损伤等细胞凋亡状况进行综合分析发现,海兔素有效改善了原代肝细胞DNA及线粒体损伤状况,对酒精诱导的肝细胞凋亡具有一定的缓解和修复作用,这可能与海兔素提高机体抗氧化能力,减少氧化应激损伤有关。
长期过量饮酒时,肝组织微粒体乙醇氧化酶系(MEOS)成为乙醇代谢的主要途径,其中,CYP2E1由于对乙醇代谢Km值较低,且能被乙醇诱导,故成为MEOS乙醇代谢酶系的关键酶。大量研究证实,由乙醇诱导的CYP2E1异常活化和过表达与肝组织氧化应激损伤密切相关[3, 11]。研究表明,将乙醇作用于HepG2细胞株,可导致CYP2E1酶活性和蛋白表达明显升高;采用CYP2E1抑制剂处理大鼠肝细胞可预防乙醇毒性,且活性氧也明显减少[12];酒精对CYP2E1基因敲除小鼠几乎不引起氧化损伤作用[13],而肝特异性CYP2E1高表达的转基因小鼠则表现出更多氧化应激反应[14]。 本研究结果表明,在乙醇作用下,大鼠原代肝细胞CYP2E1活性明显增强,其蛋白表达水平亦明显升高,海兔素对乙醇诱导的CYP2E1活性增强及蛋白过表达具有一定抑制作用,这可能是海兔素改善大鼠原代肝细胞氧化损伤及凋亡的作用机制之一。
综上所述,海兔素对酒精诱导大鼠原代肝细胞氧化应激损伤表现出较强的保护作用,其作用机制可能与海兔素抑制酒精对CYP2E1的活化,缓解氧化应激,提高机体抗氧化系统活力有关。海兔素作为一种海洋天然活性物质,值得进一步研究开发和应用。
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