徐宗斌, 張逸羿, 盧星榕, 池 畔
結(jié)直腸癌(colorectal cancer, CRC)是臨床最常見的惡性腫瘤之一,在全世界癌癥相關(guān)死亡原因中排第3位[1]。2011年我國CRC的發(fā)病率和病死率分別為23.03/100 000和11.11/100 000,且發(fā)病率較以往明顯升高,多數(shù)患者確診時(shí)已屬中晚期[2]。2017年美國國立綜合癌癥網(wǎng)絡(luò)(national comprehensive cancer network,NCCN)指南推薦,晚期轉(zhuǎn)移性結(jié)腸癌(metastatic colorectal cancer, mCRC)患者采取以手術(shù)為主、化療為輔的綜合治療方案,含有奧沙利鉑(L-OHP)的FOLFOX及CAPOX方案為一線化療方案。然而,采用標(biāo)準(zhǔn)化治療方案的晚期患者5年生存率不足10%[3],主要原因是腫瘤細(xì)胞對(duì)化療藥物的抵抗作用,導(dǎo)致L-OHP的應(yīng)用受到較大的限制。目前,針對(duì)L-OHP耐藥的研究仍缺乏有效進(jìn)展,其耐藥機(jī)制仍在探索中。
HOX基因又名Ⅰ型同源異形盒基因,是一類在進(jìn)化上高度保守的基因家族。HOX基因通過調(diào)控凋亡、增殖等參與脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育和器官形成過程。近年研究發(fā)現(xiàn),HOX基因表達(dá)的改變與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)[4]。筆者前期研究顯示,在術(shù)前接受含L-OHP化療方案的mCRC患者中,基因芯片發(fā)現(xiàn)響應(yīng)與不響應(yīng)組中HOXB8基因呈現(xiàn)顯著的差異表達(dá),免疫組織化學(xué)檢測也驗(yàn)證了上述發(fā)現(xiàn)[5-6]。但目前尚無研究顯示,HOXB8在腸癌耐藥細(xì)胞系中是否有相同的差異表達(dá)。因此,本研究擬建立人CRC的L-OHP耐藥細(xì)胞模型,并初步探討HOXB8在耐藥細(xì)胞株的表達(dá)是否存在差異,為進(jìn)一步探索L-OHP的耐藥機(jī)制打下基礎(chǔ)。
1.1材料 人CRC細(xì)胞HCT-8(上海吉?jiǎng)P基因化學(xué)技術(shù)有限公司);1640培養(yǎng)液(美國Gibco公司);標(biāo)準(zhǔn)胎牛血清(廈門鷺隆生物工程材料有限公司);TRIzol、cDNA合成試劑盒(美國Invitrogen公司);噻唑藍(lán)(MTT,中國上海華舜生物工程有限公司);AnnexinⅤ-cy5凋亡和周期檢測試劑盒(美國BD Pharmingen公司);qPCR擴(kuò)增試劑盒(上海諾倫生物醫(yī)藥技術(shù)有限公司),PCR各引物由上海生工生物公司合成;兔抗人多藥耐藥相關(guān)蛋白(multidrug resistance-associated protein, MRP)、核苷酸切除修復(fù)交叉互補(bǔ)基因1(excision repair cross completion gene 1, ERCC1)、P-糖蛋白(P-glycoprotein, P-gp)、谷胱甘肽-巰基-轉(zhuǎn)移酶-π(glutathione-s-transferase-π, GST-π)及HOXB8單克隆抗體(美國Abcam公司);辣根酶標(biāo)記山羊抗兔IgG二抗(北京中杉金橋生物技術(shù)有限公司)。
1.2方法
1.2.1細(xì)胞培養(yǎng)及HCT-8/L-OHP的建立 癌細(xì)胞株HCT-8培養(yǎng)于含10%胎牛血清的1640完全培養(yǎng)液中。取對(duì)數(shù)生長期的細(xì)胞,調(diào)整細(xì)胞密度為1×105mL-1,加入終濃度為2 μmol/L(約1/3 IC50)的L-OHP培養(yǎng)液連續(xù)作用48 h,棄上清液,加入不含L-OHP的新鮮培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng),待細(xì)胞恢復(fù)正常生長后,消化傳代,復(fù)用2 μmol/L的L-OHP溶液連續(xù)作用48 h。重復(fù)上述步驟,一個(gè)濃度反復(fù)3~4次,如此反復(fù)換液、傳代,逐步提高L-OHP的濃度至20 μmol/L,最終獲得能耐受20 μmol/L L-OHP的細(xì)胞株,并將其維持培養(yǎng)在含10 μmol/L L-OHP的完全培養(yǎng)液中,建立人CRC耐藥細(xì)胞株HCT-8/L-OHP,直至細(xì)胞可在含10 μmol/L的 L-OHP培養(yǎng)液中穩(wěn)定生長。對(duì)應(yīng)的野生細(xì)胞進(jìn)行同樣的傳代,但不加藥處理。
1.2.2MTT法檢測各種抗癌藥的細(xì)胞毒作用 取對(duì)數(shù)生長期的HCT-8和HCT-8/L-OHP細(xì)胞,消化離心后調(diào)整細(xì)胞濃度為5×104mL-1。每孔100 μL細(xì)胞懸液接種于96孔培養(yǎng)板。培養(yǎng)24 h后,加入倍比稀釋成5種濃度的各種抗癌藥物[L-OHP,5-氟尿嘧啶(5-FU)、伊立替康(CPT-11)、順鉑(CDDP)及長春新堿(VCR)]各20 μL,每一濃度重復(fù)5孔,并設(shè)置空白對(duì)照和隱形對(duì)照組。培養(yǎng)48 h后,吸去上清液,每孔加無血清培養(yǎng)液200 μL及5 mg/mL的MTT 20 μL,繼續(xù)培養(yǎng)4 h,吸去上清液,每孔加100 μL的DMSO,置于微量振蕩器上振蕩5 min,在570 nm波長處計(jì)算各組的IC50。
1.2.3細(xì)胞形態(tài)學(xué)觀察 (1)光鏡觀察:收集HCT-8和HCT-8/L-OHP細(xì)胞,接種至內(nèi)鋪小玻片的24孔培養(yǎng)板內(nèi),培養(yǎng)72 h后,光鏡下觀察、拍照。(2)透射電鏡觀察:收集HCT-8和HCT-8/L-OHP細(xì)胞,用2.5%戊二醛固定,繼續(xù)用2%四氧化鋨固定,脫水、包埋、切片和染色,透射電鏡觀察、拍照。
1.2.4細(xì)胞群體倍增時(shí)間和細(xì)胞生長曲線測定 取對(duì)數(shù)生長期的HCT-8和HCT-8/L-OHP細(xì)胞,消化離心,制成細(xì)胞懸液,調(diào)整細(xì)胞濃度為5×104mL-1。取2 mL細(xì)胞懸液接種至25 mL培養(yǎng)瓶內(nèi)。自第1天開始用臺(tái)盼藍(lán)拒染法,以血球計(jì)數(shù)板進(jìn)行活細(xì)胞計(jì)數(shù),每日取3瓶細(xì)胞,計(jì)算均值,連續(xù)觀察7 d。調(diào)整2種細(xì)胞濃度為5×103mL-1,接種8塊96孔板,每孔200 μL(1×103),各設(shè)6個(gè)平行孔,每天用MTT法測2種細(xì)胞的吸光值。以培養(yǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo)、吸光值為縱坐標(biāo),繪制細(xì)胞生長曲線。
1.2.5流式細(xì)胞儀(flow cytometry,F(xiàn)CM)分析細(xì)胞周期分布及細(xì)胞凋亡情況 收集HCT-8和HCT-8/L-OHP細(xì)胞,加入-20 ℃預(yù)冷的70%乙醇,固定1 h。將等體積的細(xì)胞懸液和PI染液混合,4 ℃下放置30 min。以激發(fā)波長為488 nm測定,并用ModFit LT2.0軟件分析細(xì)胞周期分布。取HCT-8和HCT-8/L-OHP細(xì)胞,均予以20 μmol/L的L-OHP培養(yǎng)液作用48 h,收集培養(yǎng)液以及細(xì)胞,根據(jù)試劑盒說明書的操作步驟加入凋亡檢測試劑,檢測細(xì)胞凋亡情況。
1.2.6檢測HCT-8及HCT-8/L-OHP細(xì)胞株ERCC1,ABCB1,ABCC1,GST-π及HOXB8基因的表達(dá)
1.2.6.1qPCR檢測 TRIzol法提取各組總RNA,取1 μg RNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA,反轉(zhuǎn)錄條件為:42 ℃ 60 min→70 ℃ 5 min。產(chǎn)物進(jìn)行熒光定量PCR擴(kuò)增,反應(yīng)條件如下:94 ℃ 2 min,1個(gè)循環(huán);94 ℃ 15 s→62 ℃ 40 s,40個(gè)循環(huán)。采用ΔΔCt相對(duì)定量法分析結(jié)果,差異水平用2-ΔΔCt表示。
ΔΔCt=實(shí)驗(yàn)組(Ct目的基因-Ct管家基因)-對(duì)照組(Ct目的基因-Ct管家基因)
GAPDH(Human):
F:5′-GGGAAACTGTGGCGTGAT-3′
R:5′-GAGTGGGTGTCGCTGTTGA-3′
ABCC1(MRP or MRP1):
F:5′-ATCTTGGTCACGCACAGCAT-3′
R:5′-GCATAGGTACGCAGGAACTCA-3′
ABCB1(P-gp):
F:5′-AACACCACTGGAGCATTGACTAC-3′
R:5′-ATTACAGCAAGCCTGGAACCTAT-3′
GSTP1:
F:5′-ACCGTGGTCTATTTCCCAGTTC-3′
R:5′-AGGTGACGCAGGATGGTATTG-3′
ERCC1:
F:5′-TTTGGCGACGTAATTCCCG-3′
R:5′-TCCGCTGGTTTCTGCTCATAG-3′
HOBX8:
F:5′-CAGACCTACAGCCGCTACCA-3′
R:5′-CGCCGCTTACGAGTCAGATA-3′
1.2.6.2Western-blot檢測 細(xì)胞加入裂解液RIPA(100 μL/106個(gè)細(xì)胞)和1 μL蛋白酶抑制物PMSF,吹打冰浴30 min,4 ℃高速離心15 min,收集上清液。以20~40 μg蛋白上樣量進(jìn)行SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳,蛋白轉(zhuǎn)移至PVDF膜上,5%脫脂奶粉室溫封閉1 h,TBST洗3次,每次10 min。分別加入ERCC1,ABCB1,ABCC1,GST-π及HOXB8一抗,4 ℃孵育過夜。TBST洗膜后加入羊抗鼠或羊抗兔二抗,室溫孵育2 h。用Bio-Rad凝膠成像儀顯影。
1.3統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。計(jì)量資料采用或中位數(shù)表示,并用t檢驗(yàn)、秩和檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析;計(jì)數(shù)資料采用率(或構(gòu)成比)表示,采用卡方檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α設(shè)定為0.05。
2.1耐藥細(xì)胞系構(gòu)建成功鑒定
2.1.1成功建立人CRC多藥耐藥細(xì)胞株HCT-8/L-OHP 培養(yǎng)7月后,獲得生長良好的、能耐受20 μmol/L L-OHP的耐藥細(xì)胞株HCT-8/L-OHP,可在含10 μmol/L L-OHP的培養(yǎng)液中穩(wěn)定生長。MTT法檢測結(jié)果顯示,親本株對(duì)L-OHP的IC50值為5.78 μmol/L,耐藥株的IC50為62.33 μmol/L、RI為10.78。使用未加L-OHP的培養(yǎng)基培養(yǎng)1月后,測得耐藥株的IC50為56.41 μmol/L,RI為9.75。將HCT-8/L-OHP細(xì)胞凍存,3月后經(jīng)細(xì)胞復(fù)蘇,仍能穩(wěn)定增殖和生長,IC50為58.21 μmol/L,RI為10.07,耐藥性基本保持不變。HCT-8/L-OHP細(xì)胞不僅對(duì)L-OHP產(chǎn)生耐藥性,而且對(duì)另外4種臨床常用的抗癌藥物(5-FU,CPT-11,CDDP及VCR)也產(chǎn)生不同程度的耐藥性,具有多藥耐藥特征(表1)。
表1 HCT-8/L-OHP細(xì)胞的多藥耐藥檢測
FU:5-氟尿嘧啶; CPT-11:伊立替康; CDDP:順鉑; VCR:長春新堿.
2.1.2HCT-8及HCT-8/L-OHP的細(xì)胞形態(tài)
2.1.2.1光鏡觀察 HCT-8細(xì)胞貼壁生長,呈上皮樣單層排列,細(xì)胞大小一致,為圓形或橢圓形,邊界清楚,胞核大而圓,顏色深,胞質(zhì)內(nèi)含顆粒;HCT-8/L-OHP細(xì)胞也呈上皮樣單層排列,但形態(tài)發(fā)生明顯改變,細(xì)胞大小不均,細(xì)胞變大,多呈梭形,部分細(xì)胞變圓,折光性變強(qiáng),核大、色深、不規(guī)則(圖1)。
A:HCT-8細(xì)胞(×100);B:HCT-8細(xì)胞(×200);C:HCT-8/L-OHP細(xì)胞(×100);D:HCT-8/L-OHP細(xì)胞(×200). HCT-8細(xì)胞大小一致,邊界清楚;HCT-8/L-OHP細(xì)胞大小不均,呈梭形,折光性變強(qiáng),核大、色深、不規(guī)則.圖1 HCT-8和HCT-8/L-OHP光鏡觀察Fig 1 HCT-8 and HCT-8/L-OHP in light microscope
2.1.2.2透射電鏡觀察 HCT-8細(xì)胞核清晰,形態(tài)不規(guī)則,核仁明顯,核內(nèi)可見較多的常染色質(zhì),未見異染色質(zhì);線粒體豐富,其結(jié)構(gòu)及板塊嵴清楚完整,細(xì)胞表面微絨毛比較豐富。耐藥株細(xì)胞核大,多見核畸型,染色質(zhì)增多,少量異染色質(zhì),胞質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)脂滴,線粒體出現(xiàn)腫脹、空泡,粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴(kuò)張,細(xì)胞表面微絨毛減少、變短(圖2)。
2.1.3細(xì)胞生長曲線的繪制和細(xì)胞群體倍增時(shí)間的檢測 通過MTT實(shí)驗(yàn)繪制生長曲線,HCT-8細(xì)胞:y=0.176 3x-0.052 8,R2=0.990 8;HCT-8/L-OHP細(xì)胞:y=0.056 1x+0.082 1,R2=0.984 4。耐藥細(xì)胞增殖減慢;群體倍增時(shí)間HCT-8和HCT-8/L-OHP分別為28.76和64.57 h(圖3)。
A:HCT-8細(xì)胞(×16 300); B:HCT-8/L-OHP(×28 000). HCT-8細(xì)胞核清晰,未見異染色質(zhì);HCT-8/L-OHP核大,多見核畸型,染色質(zhì)增多,少量異染色質(zhì).圖2 HCT-8和HCT-8/L-OHP透射電鏡觀察Fig 2 HCT-8 and HCT-8/L-OHP in electron microscope
HCT-8/L-OHP細(xì)胞增殖較HCT-8減慢,群體倍增時(shí)間延長.圖3 HCT-8和HCT-8/L-OHP細(xì)胞的生長曲線Fig 3 The growth curve of HCT-8 and HCT-8/L-OHP
2.1.4細(xì)胞周期分布和凋亡檢測
2.1.4.1細(xì)胞周期分布 細(xì)胞周期分布分析顯示,HCT-8/L-OHP細(xì)胞在G2/M期所占比例(18.97%)較HCT-8細(xì)胞(4.48%)增多(P<0.01),同時(shí)在S期(26.43%)及G0/G1期(64.33%)所占比例減少,與HCT-8細(xì)胞比較,差別具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。
2.1.4.2細(xì)胞凋亡檢測結(jié)果 凋亡情況檢測結(jié)果顯示,HCT-8/L-OHP細(xì)胞早期和晚期凋亡合計(jì)約43.47%,而HCT-8細(xì)胞的凋亡率約75.47%。提示耐藥株的凋亡率明顯低于親本株,二者差別有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01,圖4)。
Tube001為HCT-8,Tube004為HCT-8/L-OHP.圖4 HCT-8和HCT-8/L-OHP細(xì)胞凋亡情況Fig 4 The apoptosis of HCT-8 and HCT-8/L-OHP
2.2HOXB8以及ABCC1(MRP or MRP1),ABCB1(P-gp),GSTP1,ERCC1的mRNA表達(dá)情況 耐藥株HCT-8/L-OHP的ABCC1(MRP or MRP1),ABCB1(P-gp),ERCC1及HOXB8的mRNA表達(dá)均上調(diào),與親本株HCT-8比較,差別具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05,表2,圖5);而GSTP1 mRNA的表達(dá)二者間差別無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。
表2 各基因mRNA的相對(duì)表達(dá)量
與HCT-8細(xì)胞株比較,☆:P<0.05,☆☆:P<0.01.
與HCT-8細(xì)胞株比較,☆:P<0.05,☆☆:P<0.01.圖5 各基因mRNA的相對(duì)表達(dá)量Fig 5 The relative of indicate gene mRNA expression
2.3HOXB8,ABCC1(MRP or MRP1),ABCB1(P-gp),GSTP1及ERCC1蛋白表達(dá)情況 Western-blot檢測結(jié)果顯示,HCT-8/L-OHP細(xì)胞的HOXB8,ABCC1(MRP or MRP1),ABCB1(P-gp),GSTP1及ERCC1蛋白均呈現(xiàn)相對(duì)高表達(dá),與HCT-8細(xì)胞比較,差別具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01,圖6)。
圖6 各基因蛋白表達(dá)結(jié)果Fig 6 The Western-blot analysis of indicate gend
CRC是臨床最常見的惡性腫瘤之一,全球每年新發(fā)病例數(shù)達(dá)94.5萬例,每年有近50萬人死于CRC[3]。根據(jù)2017年NCCN指南,mCRC患者的標(biāo)準(zhǔn)治療為姑息化療,其中含L-OHP的FOLFOX及CAPOX方案為一線化療方案,可獲得近50%的緩解率[7],但仍有近一半的患者對(duì)化療不敏感,且絕大部分初期化療敏感的患者終因腫瘤獲得性耐藥導(dǎo)致化療失敗。因此,尋找腫瘤細(xì)胞對(duì)化療藥物抵抗的靶點(diǎn),探索腫瘤細(xì)胞對(duì)化療抵抗的機(jī)制是克服腫瘤細(xì)胞耐藥性、提高化療藥物療效的關(guān)鍵。成功構(gòu)建能夠穩(wěn)定耐藥的細(xì)胞系是研究耐藥的產(chǎn)生、預(yù)防和逆轉(zhuǎn)的重要研究模型[8-10]。
目前,常見的建立耐藥細(xì)胞株方法有以下2種:采用遞增藥物濃度持續(xù)作用和恒定藥物濃度周期作用來進(jìn)行誘導(dǎo)。研究顯示,前者比后者誘導(dǎo)細(xì)胞耐藥性更強(qiáng)且更穩(wěn)定[11]。本研究采用前者建立耐藥細(xì)胞株,結(jié)果發(fā)現(xiàn),耐藥細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生明顯改變,細(xì)胞代謝率降低,生物活力減弱,群體倍增時(shí)間是親本細(xì)胞株的2.25倍,說明耐藥細(xì)胞株增殖速度減慢,與張立陽等的研究結(jié)果類似[12]。隨著腫瘤細(xì)胞倍增時(shí)間的延長,細(xì)胞對(duì)化療藥物的敏感性降低[13]。從細(xì)胞周期的分布發(fā)現(xiàn),耐藥株細(xì)胞在G2/M期所占比例增多,提示細(xì)胞發(fā)生G2/M期阻滯,這與其他研究者所建立的耐藥細(xì)胞株結(jié)果相似[14]。另外,細(xì)胞凋亡檢測發(fā)現(xiàn),耐藥細(xì)胞株在相同濃度的L-OHP作用下凋亡率更低,進(jìn)一步佐證了耐藥細(xì)胞株對(duì)L-OHP有更強(qiáng)的抵抗作用。耐藥細(xì)胞株不僅對(duì)L-OHP有抗性,對(duì)5-FU,CPT-11,CDDP及VCR也具有一定抗性,產(chǎn)生多藥耐藥。研究顯示,5-FU及CPT-11在CRC患者體內(nèi)的血藥濃度常維持在30和10 μg/L左右[15-16]。本研究中耐藥細(xì)胞株對(duì)5-FU及CPT-11相對(duì)耐藥可達(dá)1 587.22和40.21 μg/L,可見本研究所建立的耐藥細(xì)胞株可抵抗臨床用藥濃度。
腸癌細(xì)胞對(duì)L-OHP的抵抗可能與DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)的過表達(dá)以及蛋白質(zhì)差異表達(dá)相關(guān),其中核苷酸切除修復(fù)(nucleotide excision repair,NER)過表達(dá)、膜轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白過表達(dá)以及GST-π過表達(dá)等可能通過其調(diào)控的基因及其下游事件發(fā)揮相應(yīng)作用[17-19]。本研究還發(fā)現(xiàn),在耐藥細(xì)胞株中,ABCC1(MRP or MRP1),ABCB1(P-gp),GSTP1及ERCC1等常見耐藥基因表達(dá)呈現(xiàn)顯著性的差異上調(diào)。由于在產(chǎn)生對(duì)L-OHP耐藥的同時(shí),上述機(jī)制的表達(dá)異常引起耐藥細(xì)胞株對(duì)其他藥物產(chǎn)生抵抗,本研究也證實(shí)了該結(jié)果。
HOX基因家族是動(dòng)物胚胎發(fā)育過程中的主控基因,目前有較多的研究證實(shí),HOX基因表達(dá)異常與腫瘤的發(fā)生發(fā)展有關(guān)[20-23]。HOXB8基因是HOX 基因家族的成員之一,位于17p21.3,編碼同源框DNA結(jié)合域的核蛋白,參與細(xì)胞的正常分化、發(fā)育。蘭鴻波等研究顯示,HOXB8的過表達(dá)與腫瘤的發(fā)生發(fā)展呈現(xiàn)正相關(guān),并可能通過miR-196調(diào)控,miR-196可能與AKT通路的激活相關(guān)[24-25]。Ding等研究也顯示,HOXB8的過表達(dá)可能與胃癌的發(fā)生發(fā)展以及轉(zhuǎn)移侵襲能力呈正相關(guān)[26]。本課題組在評(píng)估接受含L-OHP方案的CRC患者的療效時(shí)發(fā)現(xiàn),在響應(yīng)與不響應(yīng)組中,HOXB8基因呈現(xiàn)顯著的差異表達(dá)[5]。本研究成功構(gòu)建L-OHP耐藥細(xì)胞株,并通過qPCR以及Western-blot揭示了HOXB8基因在耐藥細(xì)胞株呈現(xiàn)明顯差異表達(dá)。進(jìn)一步證實(shí)了HOXB8的過表達(dá)可能與L-OHP耐藥相關(guān),但尚未明確HOXB8通過何種方式調(diào)控耐藥的產(chǎn)生。
本研究成功構(gòu)建了L-OHP耐藥細(xì)胞株,發(fā)現(xiàn)其與耐藥蛋白的過表達(dá)、DNA修復(fù)系統(tǒng)的過表達(dá)以及GST-π過表達(dá)相關(guān),并發(fā)現(xiàn)HOXB8基因在耐藥株中呈現(xiàn)過表達(dá),但其參與耐藥機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。
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