于蕾,尚東雨,楊經(jīng)輝,陳志峰,王鑫,姜波,孫永雪,張連芳,季宇彬(.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究中心,黑龍江 哈爾濱 50076;2.國(guó)家教育部抗腫瘤天然藥物工程研究中心,哈爾濱 50076)
維藥布亞(SophoraalopecuroidesL.)屬于豆科槐屬植物,又稱苦豆子,全株具有味苦性寒的特點(diǎn),發(fā)揮清熱消暑、利尿除濕、抗菌消炎、止痛鎮(zhèn)靜等作用,在臨床上能有效治療濕熱痢疾,喉痛、咳嗽,腸炎泄瀉及濕疹等濕熱性或血液質(zhì)性疾病[1]。維藥布亞中含有豐富的生物堿類成分,其中金雀花堿(Cytisine)又被稱為金雀花酮堿、野靛堿以及烏樂堿,屬于喹諾里西啶類生物堿[2]。維藥布亞中的生物堿歸屬于喹諾里西啶類生物堿,這類生物堿具有相似的結(jié)構(gòu)和功能,野決明屬和紫藤屬等這些不同屬的植物中也含有此類生物堿[3]。20世紀(jì)60年代初,人類就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)此類生物堿具有抑瘤作用,其中維藥布亞總堿、苦參堿和槐定堿早已用于臨床治療惡性腫瘤,槐定堿是Ⅰ類抗癌新藥[4],而結(jié)構(gòu)相似的金雀花堿抗癌效果在最進(jìn)研究中才初見端倪。
天然抗腫瘤藥物以其作用機(jī)制獨(dú)特、毒副作用低的特點(diǎn)一直是近年來(lái)抗腫瘤藥物研究的一個(gè)熱點(diǎn),通過對(duì)天然藥物進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾可以提高藥物作用強(qiáng)度、提高藥物特異性或降低藥物毒副作用,或優(yōu)化其物理化學(xué)活性[5]。Rouden J[6]等人對(duì)金雀花堿進(jìn)行化學(xué)修飾反應(yīng)得到了一系列的9-及10-取代金雀花堿衍生物,對(duì)其進(jìn)行親和力分析實(shí)驗(yàn),結(jié)果,兩個(gè)10-取代衍生物在與α4β2膽堿受體亞型的結(jié)合試驗(yàn)中具有比金雀花堿更高的選擇性,分別是金雀花堿的3000倍及900倍。合成的9-乙烯基金雀花堿與金雀花堿的生物活性非常相似,同時(shí)還可以穿透血腦屏障,提高了金雀花堿的生物活性及利用價(jià)值。Houllier N[7]等人合成了一系列新的N-(芳烷基)和N-(芳?;?-金雀花堿,對(duì)其進(jìn)行大鼠α4β2和α7膽堿受體亞型結(jié)合的實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明多數(shù)修飾后的衍生物對(duì)α4β2膽堿受體亞型具有高親和性。其中的3個(gè)衍生物的鈣離子活性及電生理實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,這三個(gè)衍生物對(duì)不同的亞型表現(xiàn)出拮抗劑或部分激動(dòng)劑活性,表明N取代基的金雀花堿衍生物對(duì)其活性有很大的影響。本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)金雀花堿進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾,試圖提高金雀花堿的生物活性及利用價(jià)值,減小藥物副作用,為獲得更佳的抗腫瘤衍生物進(jìn)了初步的研究。
本實(shí)驗(yàn)首先通過MTT法對(duì)金雀花堿進(jìn)行體外抗腫瘤實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其具有明顯抑制人肝癌HepG-2細(xì)胞增殖的活性。在此研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)金雀花堿作用后HepG-2細(xì)胞形態(tài)及其超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,確定其是否對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)及細(xì)胞內(nèi)的超微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。本實(shí)驗(yàn)還應(yīng)用流式細(xì)胞儀檢測(cè)金雀花堿作用后HepG-2細(xì)胞凋亡率。此外,本實(shí)驗(yàn)采用親核取代的方法對(duì)活潑氫進(jìn)行取代,得到金雀花堿衍生物N-乙?;鹑富▔A,并采用MTT法檢測(cè)N-乙?;鹑富▔A對(duì)HepG-2細(xì)胞的增殖抑制作用并與金雀花堿進(jìn)行比較。
1.1.1 細(xì)胞株
人肝癌HepG-2細(xì)胞,由哈爾濱商業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究中心提供。HepG-2細(xì)胞用含10%胎牛血清的RPMI1640培養(yǎng)液在37 ℃,5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng),取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞用于實(shí)驗(yàn)。
1.1.2 藥物及試劑
金雀花堿(純度>98%,批號(hào):20111101C),陜西大河藥業(yè)有限責(zé)任公司;羥基喜樹堿(HCPT,純度>98%,批號(hào):H109197),阿拉丁試劑有限公司;胰蛋白酶(批號(hào):20130308),美國(guó)Sigma藥物公司;二甲基亞砜(DMSO)(批號(hào):20120726),天津巴斯夫化工有限公司;RPMI-1640培養(yǎng)基(批號(hào):20130507),GIBCO公司;胎牛血清(批號(hào):20130206),杭州四季青生物工程公司;MTT(溴化四氮唑藍(lán))(批號(hào):2010212),北京索萊寶科技有限公司;碘化丙啶(PI)(批號(hào):P4170),Sigma公司;RNase A(批號(hào):V900498),Sigma公司;Triton-X-100(批號(hào):V900502),上海華舜生物工程有限公司;枸櫞酸鈉(分析純,批號(hào):20120625),北京康普匯維科技有限公司。
1.1.3 實(shí)驗(yàn)儀器
ZF-C型三用紫外分光儀,上海康禾光電儀器有限公司;ADVANCE III 600MHz高分辨核磁共振波譜儀,Bruker公司;Olympus-CKI41倒置顯微鏡,日本Olympus公司;680型全自動(dòng)酶標(biāo)儀,美國(guó)BIO-RAD公司;JEM-1220透射電子顯微鏡,日本電子公司。
1.2.1 MTT法檢測(cè)金雀花堿對(duì)人肝癌HepG-2細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制作用
細(xì)胞生長(zhǎng)抑制率=( A對(duì)照組- A試驗(yàn)組)/ A對(duì)照組×100%。
1.2.2 倒置顯微鏡觀察金雀花堿作用后HepG-2的細(xì)胞形態(tài)
胰酶消化后稀釋為濃度為3×105個(gè)/mL的細(xì)胞懸液,每孔1 mL接種于6孔培養(yǎng)板,培養(yǎng)24 h后,每孔加1 mL不同濃度的藥液,金雀花堿實(shí)驗(yàn)組的濃度分別為2.5、5、10 mmol/L,陽(yáng)性藥HCPT的濃度為60 μmol/L,空白對(duì)照組每孔加1 mL 的RPMI1640培養(yǎng)液,藥物作用48 h后,在倒置顯微鏡下拍照觀察其形態(tài)變化[10-11]。
1.2.3 透射電子顯微鏡觀察金雀花堿對(duì)HepG-2細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響
取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的HepG-2細(xì)胞,胰酶消化后,以3×105個(gè)/mL接種于6孔板,24 h后給藥,每個(gè)濃度3個(gè)平行組,金雀花堿的給藥濃度分別為2.5、5、10 mmol/L,陽(yáng)性藥HCPT的濃度為60 μmol/L,空白對(duì)照組加等體積的RPMI 1640培養(yǎng)液,作用24 h后,收集細(xì)胞,立即用2%戊二醛固定2.5 h,再用鋨酸進(jìn)行雙重固定。經(jīng)乙醇梯度脫水,環(huán)氧樹脂包埋,超薄切片,醋酸鈾、檸檬酸鉛雙重染色后,透射電鏡下觀察并拍照[12]。
1.2.4 流式細(xì)胞儀檢測(cè)金雀花堿對(duì)HepG-2細(xì)胞凋亡率的影響
對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞,稀釋終濃度為3×105個(gè)/mL,接種于6孔板,培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h,每孔加1 mL不同濃度的藥液,每個(gè)濃度設(shè)3個(gè)平行孔,金雀花堿給藥組的濃度(2.5、5、10 mmol/L),陽(yáng)性藥HCPT的濃度為60 μmol/L,空白對(duì)照組加1 mL的RPMI1640培養(yǎng)液,培養(yǎng)48 h后取出6孔培養(yǎng)板,每孔加入1 mL PBS緩沖液洗3次,1 mL 0.25 %胰蛋白酶消化,懸液移至離心管,1000 rpm、10 min離心收集細(xì)胞,PBS重懸并計(jì)數(shù),取1×106個(gè)重懸的細(xì)胞,于4℃冰箱內(nèi)固定液固定24 h,1000 rpm離心棄固定液,用PBS洗3次,避光條件下加PI染色液(避光條件下稱取枸櫞酸鈉33.4 mg,PI 5 mg,RnaseA 1 mg,加入Trtiton-X-100 0.5 mL,充分混勻)800 μL,混勻,孵育30 min;400目尼龍網(wǎng)過濾,流式細(xì)胞儀(Flow Cytometry, FCM)檢測(cè)[13-14]。
1.2.5 目標(biāo)化合物的設(shè)計(jì)與合成及產(chǎn)物對(duì)人肝癌HepG-2細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制作用
圖1為金雀花堿化學(xué)結(jié)構(gòu)式圖,3位上的N原子連接的H是活潑氫,所以容易被其他物質(zhì)取代,本實(shí)驗(yàn)在此理論基礎(chǔ)下,用Ac2O對(duì)其進(jìn)行親核取代反應(yīng)。目標(biāo)化合物的合成路線如圖2。室溫、攪拌條件下,向前體化合物金雀花堿(95 mg,0.5 mmol)和乙酸酐(2.0 mL)混合溶液中,加入吡啶(2 mL,0.002 5 mmol),反應(yīng)24 h,待TLC檢測(cè)底物金雀花堿消失,攪拌下將反應(yīng)混合物倒入冰鹽水(50 mL)中,真空抽濾得到白色固體,TLC檢測(cè)所得固體為單一化合物,對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行1H-NMR檢測(cè)。此外,采用MTT法檢測(cè)金雀花堿衍生物對(duì)人肝癌HepG-2細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制作用,實(shí)驗(yàn)方法及給藥劑量同1.2.1。
圖1 金雀花堿化學(xué)結(jié)構(gòu)式
圖2 金雀花堿衍生物合成路線
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3。金雀花堿作用于HepG-2細(xì)胞72 h后,隨著藥物濃度的增加,OD值顯著降低,HepG-2細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制率逐漸升高。經(jīng)計(jì)算金雀花堿IC50為5.36 mmol/L。陽(yáng)性藥HCPT對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制作用顯著,72 h的半數(shù)抑制濃度IC50為8.56 μmol/L。
圖3 金雀花堿作用后HepG-2細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制率
如圖4所示,細(xì)胞給藥48 h后,在普通倒置顯微鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)空白對(duì)照組細(xì)胞會(huì)貼壁聚堆生長(zhǎng),細(xì)胞飽滿,邊緣清晰,無(wú)漂浮死細(xì)胞。HCPT對(duì)照組漂浮死細(xì)胞較金雀花堿中劑量組少,細(xì)胞存在明顯的形態(tài)學(xué)變化。隨著金雀花堿劑量的增加細(xì)胞體積逐漸變小,細(xì)胞逐漸變圓變粗糙,折光性逐漸減弱,貼壁細(xì)胞減少,出現(xiàn)懸浮死細(xì)胞。中高劑量組細(xì)胞多數(shù)脫落,有少數(shù)細(xì)胞體積變大,細(xì)胞破裂,呈壞死狀。
圖4 倒置顯微鏡觀察HepG-2的細(xì)胞形態(tài)(10×40)注:A.空白對(duì)照組;B.陽(yáng)性對(duì)照組;C.低劑量組;D.中劑量組;E.高劑量組
金雀花堿對(duì)HepG-2細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響如圖5所示,空白對(duì)照組細(xì)胞結(jié)構(gòu)清晰,細(xì)胞器結(jié)構(gòu)完整,細(xì)胞表面少量微絨毛突起,細(xì)胞核較大,常染色質(zhì)豐富,核仁明顯,胞漿呈均勻中等的電子密度,具有較多游離多聚核糖體,粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體散在分布于細(xì)胞中。不同濃度金雀花堿作用后可見細(xì)胞凋亡形態(tài)學(xué)改變,細(xì)胞表面微絨毛減少和消失,凋亡細(xì)胞可見大小不等球狀的突起及凋亡小體,細(xì)胞膜破裂,胞漿外溢;高劑量組內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔明顯擴(kuò)張、線粒體腫脹。陽(yáng)性對(duì)照組線粒體減少,細(xì)胞突起明顯減少,可見大面積內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腫脹擴(kuò)張可見典型凋亡細(xì)胞、凋亡小體。表明金雀花堿能損傷重要細(xì)胞器誘導(dǎo)HepG-2細(xì)胞凋亡。
圖5 金雀花堿作用HepG-2細(xì)胞后的電鏡圖片(8000×)注:A.空白對(duì)照組;B.陽(yáng)性對(duì)照組;C.低劑量組;D.中劑量組;E.高劑量組
不同濃度的金雀花堿作用于人肝癌HepG-2細(xì)胞48 h后,F(xiàn)CM檢測(cè)結(jié)果如表1和圖6顯示,金雀花堿給藥組的DNA直方圖中G0/G1峰前面出現(xiàn)明顯的亞二倍體凋亡峰,且隨著金雀花堿濃度的增加凋亡率也有顯著增加(P<0.01)。金雀花堿的給藥量為2.5 mmol/L時(shí)凋亡率為(3.72±0.49)%,隨著給藥量上升到10 mmol/L時(shí),凋亡率上升至(65.74±3.34)%,呈一定的劑量依賴性。陽(yáng)性組凋亡率為(15.83±3.16)%(P<0.01)。
表1 流式細(xì)胞儀檢測(cè)金雀花堿對(duì)HepG-2細(xì)胞的凋亡率
注:與空白組比較,**P<0.01
圖6 FCM檢測(cè)HepG-2細(xì)胞凋亡率注:A.空白對(duì)照組;B.陽(yáng)性對(duì)照組;C.低劑量組;D.中劑量組;E.高劑量組
將得到的產(chǎn)物點(diǎn)樣展開,TLC檢測(cè),呈現(xiàn)藍(lán)紫色熒光的單一化合物,與反應(yīng)物金雀花堿存在極性差異,表明原料金雀花堿完全反應(yīng)得到產(chǎn)物。NMR檢測(cè):白色固體,1H-NMR (500 MHz, CDCl3) δ 1.75 (s, 2H), 1.98~2.02 (m, 3H), 2.53 (s, 1H), 2.83(q, J=2.0, 1H), 3.09(s, 1H), 3.40 (q, J=1.5 Hz, 1H), 3.84~3.92 (m, 2H), 4.12 (q, J=2.0 Hz, 1H),4.74(dd, J=4.5 ,6.0Hz, 1H), 6.07(q, J=2.0 Hz, 1H), 6.46(q, J=1.5 Hz, 1H),7.30(s, 1H)。結(jié)果表明,產(chǎn)物為白色固體,與文獻(xiàn)[15]比對(duì)一致,故鑒定該化合物為N-乙?;鹑富▔A(N-acetylcytisine)。
MTT法檢測(cè)不同濃度金雀花堿及N-乙酰基金雀花堿對(duì)HepG-2細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制作用,經(jīng)過3次平行實(shí)驗(yàn)求出半數(shù)抑制濃度。由表2可明顯看出,N-乙?;鹑富▔A作用于HepG-2細(xì)胞72 h后,隨著藥物濃度的增加,OD值顯著降低,HepG-2細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制率逐漸升高。經(jīng)計(jì)算金雀花堿IC50為5.51 mmol·L,N-乙?;鹑富▔AIC50為7.51 mmol/L。陽(yáng)性藥HCPT對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制作用顯著,72 h的半數(shù)抑制濃度IC50為8.56 μmol/L。
維藥布亞(SophoraAlopecuraidesL.)是豆科槐屬(Sophora)植物,主要分布在我國(guó)西北的荒漠地區(qū)和中亞細(xì)亞一帶地區(qū)[16]。布亞全株具有味苦性寒的特點(diǎn),發(fā)揮止痛鎮(zhèn)靜、清熱消暑、抗菌消炎、利尿除濕等作用,在臨床上能有效治療喉痛、濕熱痢疾、咳嗽、腸炎泄瀉及濕疹等濕熱性或血液質(zhì)性疾病[17]。布亞含有多種化學(xué)成分,包含了有機(jī)酸、蛋白質(zhì)、多糖、黃酮和生物堿等,其中生物堿含量最高,地上部分的生物堿含量占總生物堿的6.11%~8.03%,種子中的生物堿含量高達(dá)8.11%。布亞生物堿具有鎮(zhèn)靜鎮(zhèn)痛、降壓降脂、抗病毒、抗炎以及抗腫瘤作用,是布亞的主要生物活性成分[18]。
表2 MTT法測(cè)定金雀花堿及N-乙?;鹑富▔A對(duì)HepG-2的抑制率
注:與空白組比較,*P<0.05,**P<0.01
喹諾里西啶類生物堿的多種生物學(xué)活性得到了廣泛研究,其中包括槐定堿、苦參堿、苦豆堿在內(nèi)的生物堿被證明具有良好的抗腫瘤活性,而關(guān)于金雀花堿該方面的研究卻少有報(bào)道[19-20]。本實(shí)驗(yàn)首先通過體外實(shí)驗(yàn)的方法,從增殖抑制作用、形態(tài)學(xué)觀察、細(xì)胞凋亡率等方面對(duì)金雀花堿的抗腫瘤作用進(jìn)行研究。MTT法是一種常用的體外篩選抗腫瘤藥物的方法,操作簡(jiǎn)便、敏感?;罴?xì)胞線粒體中的脫氫酶可以把MTT代謝還原形成一種藍(lán)紫色不溶物-甲瓚化合物(Formazan),通過該原理測(cè)定不同給藥劑組顏色變化的深淺,得到腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)狀況。通過計(jì)算測(cè)定的OD值得可到細(xì)胞受抑制的情況[21]。本研究發(fā)現(xiàn)金雀花堿能顯著抑制人肝癌HepG-2細(xì)胞增殖,IC50為5.36 mmol/L。
細(xì)胞凋亡是一個(gè)形態(tài)學(xué)的概念,發(fā)生凋亡的細(xì)胞有著典型的形態(tài)學(xué)特征[22]。采用倒置顯微鏡觀察給金雀花堿48 h后HepG-2細(xì)胞的形態(tài)變化??瞻捉M細(xì)胞會(huì)貼壁聚堆生長(zhǎng),細(xì)胞飽滿,邊緣清晰,無(wú)漂浮死細(xì)胞,金雀花堿給藥組細(xì)胞隨著劑量的增加細(xì)胞體積逐漸變小,細(xì)胞逐漸變圓變粗糙,折光性逐漸減弱,貼壁細(xì)胞減少,出現(xiàn)懸浮死細(xì)胞,中高劑量組細(xì)胞多數(shù)脫落,有少數(shù)細(xì)胞體積變大,細(xì)胞破裂,呈壞死狀。此外,本實(shí)驗(yàn)還采用透射電鏡進(jìn)一步分析金雀花堿引起的HepG-2 細(xì)胞凋亡形態(tài)變化,結(jié)果顯示,不同濃度金雀花堿作用后可見HepG-2 細(xì)胞凋亡發(fā)生形態(tài)學(xué)改變,細(xì)胞表面的微絨毛減少或有些消失,凋亡細(xì)胞出現(xiàn)大小不等球狀的突起和凋亡小體,細(xì)胞膜被破裂,導(dǎo)致胞漿外溢;內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔擴(kuò)張明顯,線粒體腫大。倒置顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察結(jié)果都為證明金雀花堿能誘導(dǎo)HepG-2凋亡提供了形態(tài)學(xué)的依據(jù)。
對(duì)PI染色后的細(xì)胞進(jìn)行FCM分析,可以發(fā)現(xiàn)在DNA直方圖上正常二倍體細(xì)胞的G0/G1峰前出現(xiàn)一個(gè)亞二倍體凋亡峰(apoptotic peak,AP峰),代表凋亡細(xì)胞。根據(jù)此峰可以得出凋亡細(xì)胞占總細(xì)胞數(shù)的百分率[23-25]。流式細(xì)胞儀檢測(cè)結(jié)果顯示給藥組出現(xiàn)明顯凋亡峰,且呈一定的劑量依賴性,高劑量組凋亡率為(65.74±3.34)%,明確了金雀花堿能誘導(dǎo)人肝癌HepG-2細(xì)胞的凋亡。通過對(duì)金雀花堿作用后細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的觀察,發(fā)現(xiàn)其內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔明顯擴(kuò)張、線粒體出現(xiàn)腫脹現(xiàn)象,說(shuō)明金雀花堿誘導(dǎo)HepG-2細(xì)胞凋亡,可能是通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及線粒體通路進(jìn)行的。
研究顯示,多數(shù)N取代基的金雀花堿衍生物對(duì)其生物活性有很大的影響[7]。為提高金雀花堿的生物活性及利用價(jià)值,獲得活性更好,毒副作用更低的抗腫瘤金雀花堿衍生物,本實(shí)驗(yàn)對(duì)金雀花堿進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾。本實(shí)驗(yàn)分析得出目標(biāo)化合物N-乙酰基金雀花堿,但MTT實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,經(jīng)計(jì)算金雀花堿IC50為5.51 mmol/L,N-乙?;鹑富▔AIC50為7.51 mmol/L,提示其衍生物活性低于金雀花堿本身,并未能增強(qiáng)其抗腫瘤活性,說(shuō)明金雀花堿的此種衍生物,不能起到增強(qiáng)藥效的作用,不再具備繼續(xù)研究的潛質(zhì)。
綜上所述,金雀花堿體外具有抑制HepG-2細(xì)胞生長(zhǎng)的作用,能夠誘導(dǎo)人肝癌HepG-2細(xì)胞凋亡。N-乙?;鹑富▔A能夠抑制HepG-2細(xì)胞的生長(zhǎng),但其作用較金雀花堿弱,表明在金雀花堿的3位N上修飾鏈狀結(jié)構(gòu)Ac2O并不能增強(qiáng)金雀花堿的抗腫瘤活性。
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