段睿,焦奧,張城碩,林建貞,石悅,張佳林
(中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院肝膽外科暨器官移植科,沈陽 110001)
糖皮質(zhì)激素具有抗炎、免疫抑制等多種生理作用[1-2],可用于類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、血管炎等疾病的治療[3-5]。臨床應(yīng)用糖皮質(zhì)激素一般采用長時間和 (或) 高劑量的全身療法,對胰島β細(xì)胞具有一定的毒性作用[6],使其受到損傷,進(jìn)而發(fā)展成為類固醇性糖尿病。這種損傷的程度與糖皮質(zhì)激素的使用劑量和時間呈正相關(guān)。地塞米松(dexamethasone,Dexa)是常用的糖皮質(zhì)激素藥物,有研究[7-8]發(fā)現(xiàn)它可通過多種途徑誘導(dǎo)細(xì)胞損傷。前期研究發(fā)現(xiàn),短肽FLPNF對過表達(dá)人胰島淀粉樣多肽 (human islet amyloid polypeptide,hIAPP) 的大鼠胰島細(xì)胞INS-1具有一定的保護(hù)作用。但目前尚未有研究報道FLPNF是否可以對Dexa誘導(dǎo)的胰島β細(xì)胞凋亡具有保護(hù)作用。本研究擬探討短肽FLPNF對Dexa誘導(dǎo)的胰島β細(xì)胞凋亡的影響,為進(jìn)一步研究FLPNF對類固醇性糖尿病的防治作用提供依據(jù)。
RPMI1640培養(yǎng)液、胎牛血清、胰蛋白酶、PBS( 北京Hyclone公司) ;Dexa,上海Sigma-Aldrich公司) ;短肽FLPNF,短肽NFGAIL( 上海強耀生物科技有限公司) ;胃饑餓素( Ghrelin,美國Anaspec公司) ;兔抗Bcl-2多克隆抗體、鼠抗Bax多克隆抗體、兔抗c-caspase-3多克隆抗體、鼠抗Glut2多克隆抗體( 武漢Proteintech公司) ;Annexin-V-FITC-PI雙染試劑盒、增強型CCK-8試劑盒、一步法TUNEL細(xì)胞凋亡檢測試劑盒、細(xì)胞周期與細(xì)胞凋亡檢測試劑盒( 上海碧云天生物科技有限公司) ;全自動酶標(biāo)儀( 瑞士SUNRISERC公司) ;FACSCalibur流式細(xì)胞儀( 美國BD公司)。
1.2.1 細(xì)胞培養(yǎng):大鼠胰島細(xì)胞株INS-1( 上海拜力生物科技有限公司) 為我院普外實驗室凍存。將復(fù)蘇后的INS-1細(xì)胞添加RPMI1640培養(yǎng)基( 10 mmol/L HEPES、2 mmol/L L-谷氨酰胺、1 mmol/L丙酮酸鈉、10 μ mol/L β-巰基乙醇、10%胎牛血清、100 U/mL青霉素及100 μ g/mL鏈霉素)[9]置于37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。
1.2.2 細(xì)胞分組:將細(xì)胞隨機分為空白對照組、Dexa組、FLPNF組、FLPNF+Dexa組、Ghrelin對照組、Ghrelin+Dexa對照組、NFGAIL對照組、NFGAIL+Dexa對照組,其中含有Ghrelin的對照組為陽性對照組,含有NFGAIL的對照組為陰性對照組。此分組中,用于處理細(xì)胞的Dexa的濃度為100 nmol/L,短肽FLPNF、NFGAIL的濃度為200 μ mol/L,Ghrelin的濃度為100 nmol/L,F(xiàn)LPNF+Dexa組、Ghrelin+Dexa對 照 組、NFGAIL+Dexa對照組分別用FLPNF、Ghrelin、NFGAIL預(yù)處理細(xì)胞24 h,再添加Dexa。該分組用于方法1.2.3(3)、1.2.4、1.2.5、1.2.6及1.2.7部分。
1.2.3 CCK-8法測定INS-1細(xì)胞活力:( 1) 為了探究Dexa與FLPNF的先后添加順序?qū)NS-1細(xì)胞活力的影響,取對數(shù)生長期細(xì)胞,接種至96孔板( 5×103/孔),每個實驗條件設(shè)置4個復(fù)孔。將細(xì)胞分為空白對照( Control) 組、Dexa組、FLPNF組、FLPNF+Dexa組、Dexa 48 h+Control 72 h組、Dexa 48 h+FLPNF 72 h組、Control 72 h+Dexa 48 h組、FLPNF 72 h+Dexa 48 h組,其中FLPNF+Dexa組采用FLPNF與Dexa同時處理細(xì)胞的方式添加,其余組按時間順序添加,添加的處理處理因素Dexa的濃度為100 nmol/L,短肽FLPNF、NFGAIL的濃度為200 μ mol/L,Ghrelin的濃度為100 nmol/L。( 2) 為了探究不同濃度FLPNF對INS-1細(xì)胞增殖活力的影響,取對數(shù)生長期細(xì)胞,接種至96孔板(1×104/孔),每個實驗條件設(shè)置4個復(fù)孔。將細(xì)胞分為空白對照( Control) 組、Dexa組、100 μ mol/L FLPNF組、100 μ mol/L FLPNF+Dexa組、200 μ mol/L FLPNF組、200 μ mol/L FLPNF+Dexa組、400 μ mol/L FLPNF組、400 μ mol/L FLPNF+Dexa組,F(xiàn)LPNF+Dexa組用FLPNF預(yù)處理24 h,再添加Dexa。( 3) 為檢測FLPNF與其他對照肽類對INS-1細(xì)胞活力的影響,取對數(shù)生長期細(xì)胞,接種至96孔板( 1×104/孔),每個實驗條件設(shè)置4個復(fù)孔。( 4) 各組細(xì)胞經(jīng)過藥物處理后,在每孔培養(yǎng)基中加入10 μ L CCK-8溶液,于37 ℃培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)1~1.5 h。待CCK-8孵育結(jié)束后,將96孔板放入酶標(biāo)儀中,測定各孔在450 nm處的吸光度值。
1.2.4 ELISA法檢測葡萄糖刺激胰島素分泌功能:取對數(shù)生長期細(xì)胞接種于96孔板( 1×104/孔)。將INS-1細(xì)胞分為Control組、 Dexa組、 FLPNF組、 FLPNF+Dexa組,Dexa終濃度為100 nmol/L,F(xiàn)LPNF終濃度為200 μ mol/L,F(xiàn)LPNF+Dexa組先用FLPNF預(yù)處理24 h后,再添加終濃度為100 nmol/L的Dexa。藥物處理后,以PBS洗滌2次,加入不含葡萄糖的KRBH液100 μL/孔,37 ℃孵育30 min,棄KRBH液,用含有低糖( 1.1 mmol/L)或高糖( 20 mmol/L) 的KRBH液孵育1 h,將各組樣本液體收集至離心管中,3 000r/min離心30 min,收集上清。在96孔板中加入標(biāo)準(zhǔn)品或樣品( 50 μ L/孔),稀釋標(biāo)準(zhǔn)品,制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。每孔加入樣品稀釋液40 μ L及樣品10 μ L,空白對照孔加入樣品稀釋液40 μ L及完全培養(yǎng)基10 μ L。用封口膜封閉孔口,置于37 ℃培養(yǎng)箱中孵育30 min。棄除液體并連續(xù)洗滌5次后,加入酶標(biāo)試劑50 μ L/孔,空白對照孔中不加。封口膜封孔后,37 ℃孵育30 min后,連續(xù)洗滌5次,每孔加入顯色劑A、B各50 μ L,室溫避光靜置15 min。顯色后終止,用酶標(biāo)儀測定450 nm處吸光度值。
1.2.5 TUNEL法檢測細(xì)胞凋亡:將對數(shù)生長期細(xì)胞接種至48孔板,進(jìn)行相應(yīng)藥物處理( 按1.2.2分組方法處理) 后,PBS洗滌1次。4%多聚甲醛常溫下固定30 min,PBS洗除固定液。加入免疫染色強力通透液1 mL/孔,室溫孵育5 min。將TdT酶與熒光染色液按1︰9混合成標(biāo)準(zhǔn)TUNEL檢測液。孵育后的細(xì)胞用PBS洗滌2次,加入標(biāo)準(zhǔn)TUNEL檢測液50 μ L/孔,用封口膜將孔口封閉,37 ℃孵育60 min,PBS洗滌1次。加入DAPI熒光染液100 μ L/孔,37 ℃孵育15 min。PBS洗滌2次,在激光共聚焦顯微鏡下觀察和對比不同藥物作用后的細(xì)胞形態(tài)和凋亡情況。
1.2.6 Annexin V-FITC/PI法檢測細(xì)胞凋亡率:各組INS-1細(xì)胞經(jīng)藥物處理后,用不含EDTA的胰酶消化,計數(shù)后將每組細(xì)胞數(shù)調(diào)節(jié)至1×105/mL,每組樣品取1 mL細(xì)胞懸液,1 000 r/min、4 ℃離心10 min,棄上清。用預(yù)冷的PBS洗滌2次。將細(xì)胞重懸于195 μ L Annexin V-FITC結(jié)合液。每管樣品加入5 μ L Annexin V-FITC、10 μ L碘化丙啶染色液混勻,避光室溫反應(yīng)15 min,立即用流式細(xì)胞儀檢測。
1.2.7 Western blotting檢 測Bcl-2、 Bax、 caspase-3及Glut2蛋白的表達(dá)水平:向6孔板中各組細(xì)胞加入Western及IP裂解液 (100 μ L/孔,添加1%的苯甲基磺酰氟),裂解30 min后用超聲儀勻漿。BCA法測定總蛋白濃度,煮沸5 min使蛋白變性。蛋白上樣,電泳,轉(zhuǎn)印至硝酸纖維素膜。5%脫脂牛奶封閉2 h,分別加入一抗 (抗Bcl-2抗體、抗Bax抗體、抗caspase-3抗體1︰500稀釋,抗Glut2抗體1︰1 000稀釋),4 ℃過夜。室溫孵育2 h,TBST洗膜3次,分別加入羊抗鼠二抗、羊抗兔二抗,室溫孵育1 h,TBST洗膜3次。ECL顯色,采用ImageJ 1.8.0軟件對獲取的圖像進(jìn)行分析。以β-actin為內(nèi)參。
采用GraphPad Prism 5軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。計量資料用±s表示,方差分析兩兩比較采用LSD法比較。P < 0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
如圖1A所示,與Dexa組相比,F(xiàn)LPNF+Dexa組的細(xì)胞活力明顯增高( P < 0.001),F(xiàn)LPNF 72 h+Dexa 48 h組的細(xì)胞活力無明顯變化,Dexa 48 h+FLPNF 72 h組的細(xì)胞活力有所增加,差異有統(tǒng)計學(xué)意義( P <0.001)。與FLPNF+Dexa組 比 較,Dexa 48 h+FLPNF 72 h組的細(xì)胞活力較低,差異有統(tǒng)計學(xué)意義( P <0.01),F(xiàn)LPNF 72 h+Dexa 48 h組的細(xì)胞活力較FLPNF+Dexa組低,但無統(tǒng)計學(xué)差異。如圖1B所示,不同濃度( 100、200、400 μ mol/L) FLPNF對INS-1細(xì) 胞 活 力的影響幾乎無差異;與Dexa組相比,F(xiàn)LPNF( 100 μ mol/L) +Dexa組的細(xì)胞活力有所增高,但無統(tǒng)計學(xué)差異,而FLPNF( 200 μ mol/L) +Dexa組及FLPNF( 400 μ mol/L) +Dexa組的細(xì)胞活力均有顯著增高( P < 0.001) ;FLPNF( 200 μ mol/L) +Dexa組與FLPNF( 400 μ mol/L)+Dexa組的細(xì)胞活力無顯著差異。表明短肽FLPNF與Dexa共同處理細(xì)胞時,F(xiàn)LPNF的保護(hù)效果較好,發(fā)揮最佳保護(hù)作用的濃度為200 μ mol/L。
圖1 CCK-8法檢測各組INS-1細(xì)胞增殖活力Fig.1 The proliferation viability of INS-1 cells detected by CCK-8
如圖1C所示,與Control組相比,Ghrelin組、FLPNF組及NFGAIL組INS-1細(xì)胞增殖活力無明顯變化,Dexa組細(xì)胞活力則明顯降低 (P < 0.05)。與Dexa組相比,Dexa+Ghrelin組 (32.1%)、Dexa+FLPNF組 (18.7%) 的細(xì)胞活力均有顯著增加 (P < 0.001,P < 0.05),Dexa+NFGAIL組則無顯著變化 (P > 0.05)。經(jīng)過Dexa處理的INS-1細(xì)胞的活力明顯下降,而加入短肽FLPNF和Ghrelin均對Dexa誘導(dǎo)的INS-1細(xì)胞活力有顯著改善。
如圖2A所示,低糖 (1.1 mmol/L) 條件下,F(xiàn)LPNF組、Dexa組及Dexa+FLPNF組與對照組的胰島素分泌量無顯著差異;在高糖 (20 mmol/L) 刺激下,Dexa組的胰島素分泌量顯著減少,而Dexa+FLPNF組的胰島素分泌量比Dexa組則有較為明顯的增加。如圖2B所示,與對照組相比,F(xiàn)LPNF組的葡萄糖刺激胰島素分泌刺激指數(shù)無明顯變化,Dexa組則明顯降低 (P <0.001),Dexa+FLPNF組雖然比對照組有明顯降低,但比Dexa組則有明顯增加 (P < 0.05)。
圖2 FLPNF對Dexa培養(yǎng)的INS-1細(xì)胞葡萄糖刺激胰島素分泌功能的影響Fig.2 Effect of FLPNF on glucose-stimulated insulin secretion in dexamethasone cultured INS-1 cells
TUNEL法檢測細(xì)胞凋亡的結(jié)果如圖3所示,空白對照組中較少見到細(xì)胞凋亡,相比之下,Dexa組與NFGAIL+Dexa組中細(xì)胞凋亡比例最高,兩者無統(tǒng)計學(xué)差異;Ghrelin組、FLPNF組與空白對照組無明顯差異,NFGAIL組稍有增加,但無統(tǒng)計學(xué)差異 (P >0.05);Ghrelin+Dexa組 及FLPNF+Dexa組 能觀察 到細(xì)胞凋亡,但比Dexa組細(xì)胞凋亡均有明顯減少 (P <0.001)。
如圖4所示,Annexin V-FITC/PI法檢測細(xì)胞凋亡的結(jié)果與TUNEL法檢測細(xì)胞凋亡的結(jié)果基本一致,空白對照組的細(xì)胞凋亡率較低,Dexa組和NFGAIL+Dexa組細(xì)胞凋亡率明顯升高 (P < 0.001),Ghrelin組、FLPNF組、NFGAIL組與空白對照組無明顯差異 (P > 0.05),Ghrelin+Dexa組及FLPNF+Dexa組的細(xì)胞凋亡率比Dexa組有明顯降低 (P < 0.001)。
如圖5、6所示,Dexa組的Bcl-2、Glut-2表達(dá)水平較Control組顯著降低 (P < 0.05),經(jīng)過FLPNF短肽處理后,Dexa+FLPNF組的Bcl-2、Glut-2表達(dá)明顯升高 (P < 0.05)。相反,Dexa組的Bax、cleaved caspase-3表達(dá)水平明顯高于Control組 (P < 0.05),而Dexa+-FLPNF組的Bax、cleaved caspase-3表達(dá)較Dexa組則明顯下降 (P < 0.05)。
糖皮質(zhì)激素盡管對炎癥性疾病、自身免疫病等多種疾病的治療與預(yù)防具有顯著成效[10-11],但其應(yīng)用帶來的胰島并發(fā)癥不可忽視。Dexa能產(chǎn)生氧自由基,促進(jìn)胰島細(xì)胞凋亡,減弱胰島素的分泌功能[12]。前期研究結(jié)果表明,短肽FLPNF具有抗過表達(dá)hIAPP的胰島細(xì)胞凋亡的作用,這種作用可能與短肽FLPNF與胰島淀粉樣沉淀的直接結(jié)合有關(guān),也可能與其本身的促進(jìn)增殖或抗凋亡作用有關(guān)。本研究通過Dexa誘導(dǎo)INS-1細(xì)胞凋亡,證明了短肽FLPNF能直接拮抗Dexa誘導(dǎo)的胰島β細(xì)胞凋亡。
圖3 TUNEL法檢測短肽FLPNF對Dexa誘導(dǎo)的INS-1細(xì)胞凋亡的影響Fig.3 Effect of oligopeptide FLPNF on dexamethasone-induced INS-1 cell apoptosis assessed by TUNEL
圖4 Annexin V-FITC/PI流式細(xì)胞術(shù)檢測細(xì)胞凋亡Fig.4 Cell apoptosis detected by Annexin V-FITC/PI flow cytometry
INS-1細(xì)胞在100 nmol/L Dexa的誘導(dǎo)下出現(xiàn)增殖活力降低,在加入短肽FLPNF后,細(xì)胞增殖雖未完全恢復(fù)正常,但已有了很大程度的提升。短肽FLPNF對正常增殖狀態(tài)的INS-1細(xì)胞則無明顯的促增殖作用。相比于正常細(xì)胞,短肽FLPNF可能更容易穿過被誘導(dǎo)凋亡的細(xì)胞的細(xì)胞膜,因此對凋亡的INS-1細(xì)胞具有更明顯的作用。關(guān)于短肽FLPNF如何保護(hù)Dexa培養(yǎng)的INS-1細(xì)胞活力的機制,可能是直接發(fā)揮促增殖的作用,也可能是通過拮抗凋亡的過程而發(fā)揮作用。本研究中,相比于先后使用短肽FLPNF或Dexa處理細(xì)胞,短肽FLPNF與Dexa同期處理細(xì)胞的方式顯示出更好的保護(hù)效果。此外,200 μ mol/L FLPNF能起到較好的保護(hù)INS-1細(xì)胞活力的作用,而100 μ mol/L FLPNF則不能發(fā)揮顯著的保護(hù)作用,400 μ mol/L FLPNF的效果與200 μ mol/L FLPNF的保護(hù)作用無顯著差異,因此,在后續(xù)實驗中采用了200 μ mol/L的濃度作為研究短肽FLPNF的濃度。本研究中,通過與陽性對照肽Ghrelin、陰性對照肽NFGAIL對比發(fā)現(xiàn),短肽FLPNF雖具有一定保護(hù)INS-1細(xì)胞活力的作用,但其作用較Ghrelin稍差,這可能與其本身的作用較弱有關(guān),也可能與其肽鏈不穩(wěn)定有關(guān)。而相對陰性對照肽NFGAIL,F(xiàn)LPNF則有顯著的保護(hù)作用,使胰島細(xì)胞活力提升較為明顯。
圖5 Western blotting檢測INS-1細(xì)胞Bcl-2、Bax、cleaved caspase-3蛋白表達(dá)的變化Fig.5 The protein expression changes of Bcl-2,Bax and cleaved caspase-3 in INS-1 cells detected by Western blotting
圖6 Western blotting檢測FLPNF對Dexa培養(yǎng)的INS-1細(xì)胞Glut2蛋白表達(dá)的影響Fig.6 The protein expression change of Glut2 in INS-1 cells detected by Western blotting
Glut是一類存在于細(xì)胞膜、負(fù)責(zé)由細(xì)胞外向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運葡萄糖的受體,分為Glut1、Glut2、Glut3、Glut4等幾個主要亞型,分布于不同組織器官。嚙齒類動物胰島β細(xì)胞上主要表達(dá)Glut2,使該細(xì)胞對葡萄糖有較為敏感的反應(yīng)。當(dāng)葡萄糖濃度升高時,胰島β細(xì)胞通過Glut2攝取葡萄糖,觸發(fā)動作電位,使胰島素釋放入血液中,進(jìn)而發(fā)揮降低血糖的作用。本研究結(jié)果顯示,應(yīng)用Dexa誘導(dǎo)胰島細(xì)胞凋亡的同時,胰島素受葡萄糖刺激引起排泌量減少,可能與Dexa導(dǎo)致Glut2表達(dá)下降有關(guān)。
胰島細(xì)胞功能障礙的最直接表現(xiàn)是其胰島素分泌功能的改變,胰島素分泌方式、分泌量等改變都受胰島細(xì)胞完整性的密切影響。胰島素的產(chǎn)生過程是從PPI基因轉(zhuǎn)錄成PPI mRNA,并在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)翻譯成胰島素前體物質(zhì),形成胰島素原后轉(zhuǎn)移至高爾基體。當(dāng)血糖升高,Glut將葡萄糖轉(zhuǎn)運入胞,刺激胰島β細(xì)胞產(chǎn)生動作電位,由胰島素原被切割成胰島素與其他物質(zhì),形成分泌顆粒,由胰島β細(xì)胞釋放入血,從而發(fā)揮胰島素的作用。有研究[13]發(fā)現(xiàn),Dexa可以通過促進(jìn)Glut2翻譯后降解致Glut2蛋白表達(dá)減少,使胰島細(xì)胞對葡萄糖刺激的敏感性大幅度下降,導(dǎo)致胰島細(xì)胞內(nèi)的胰島素分泌顆粒不能正常分泌。前期蛋白組學(xué)預(yù)測發(fā)現(xiàn),F(xiàn)LPNF具有促進(jìn)Glut2表達(dá)的作用。本研究通過測定Dexa誘導(dǎo)INS-1細(xì)胞凋亡的狀態(tài)下葡萄糖刺激胰島素的釋放量,證明FLPNF顯著改善了Dexa培養(yǎng)的INS-1細(xì)胞的葡萄糖刺激胰島素釋放功能。
通過TUNEL法可以觀察到INS-1細(xì)胞經(jīng)不同藥物處理后的細(xì)胞核形態(tài)及凋亡情況,而通過Annexin V-FITC/PI雙染法則從凋亡率更具體地表現(xiàn)出不同藥物處理后細(xì)胞的凋亡數(shù)目差異。本研究結(jié)果顯示,用Dexa處理的INS-1細(xì)胞的凋亡細(xì)胞密度和凋亡率都有顯著升高,而使用短肽FLPNF處理的細(xì)胞凋亡水平則有了明顯的降低。
Dexa可通過多種途徑導(dǎo)致胰島β細(xì)胞凋亡及功能障礙。Bcl-2家族蛋白在凋亡通路中具有至關(guān)重要的作用,其中以Bcl-2與Bax蛋白的比例最為重要。Bcl-2是Bcl蛋白家族中的抗凋亡蛋白,Bax則是促凋亡蛋白,Bcl-2蛋白減少、Bax蛋白增加是凋亡通路的重要起始因素。隨著Bcl-2/Bax的比例下降,線粒體膜的通透性逐漸增加,使線粒體內(nèi)的物質(zhì)如細(xì)胞色素c外流,進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞凋亡的進(jìn)展,導(dǎo)致caspase-3的升高。Dexa可通過降低Bcl-2/Bax的比例,促進(jìn)線粒體通路細(xì)胞凋亡的發(fā)生[8]。本研究中,短肽FLPNF可拮抗Dexa的線粒體通路,使Bcl-2蛋白的表達(dá)明顯升高,Bax蛋白的表達(dá)明顯降低,抑制了線粒體通路的啟動。
綜上所述,本研究以大鼠胰島素瘤INS-1細(xì)胞為研究對象,證實了短肽FLPNF能抑制Dexa誘導(dǎo)的胰島細(xì)胞凋亡,促進(jìn)其增殖,并改善胰島細(xì)胞的葡萄糖刺激胰島素分泌功能。本研究從細(xì)胞層面探討和證明了FLPNF的抗凋亡作用,可能對臨床應(yīng)用糖皮質(zhì)激素所產(chǎn)生的胰島損傷的預(yù)防和治療具有一定的臨床意義。