張 徽,王淑靜,袁天宇,楊 驕,代民言,張 琦,金成斌
(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院,哈爾濱 150076)
近年來(lái),阿爾茨海默癥(Alzheimer’s disease,AD)、帕金森綜合征(Parkinson’s disease,PD)等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病率逐年增高,這些疾病雖然具有不同的組織病理學(xué)特征,但可能具有共同的細(xì)胞和分子機(jī)制[1].目前認(rèn)為蛋白質(zhì)異常聚積、氧化應(yīng)激、糖代謝障礙等均會(huì)引起神經(jīng)退行性疾病[2].其中氧化應(yīng)激是指體內(nèi)活性氧自由基(Reactive oxygen species,ROS)和活性氮自由基(Reactive nitrogen species,RNS)的產(chǎn)生與清除發(fā)生失衡導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞和組織氧化損傷[3].神經(jīng)元的正常活動(dòng)需要提供大量的能量,腦的質(zhì)量約占機(jī)體總質(zhì)量的2%,但腦的耗能量約占全身總量的20%,耗糖量約占25%.氧化損傷時(shí),過(guò)高的ROS可引起線粒體的損傷,直接影響能量生成[4].研究表明AD患者常伴隨腦能量不足[5],因此推測(cè)抑制氧化應(yīng)激、改善細(xì)胞糖代謝、減少神經(jīng)細(xì)胞凋亡可預(yù)防和治療神經(jīng)退行性疾病.
銀杏葉提取物(Ginkgobilobaextract)含有多種活性成分,具有抗氧化、抗凋亡、抗腫瘤、抑制血小板活性、改善腦血流、神經(jīng)保護(hù)等多種藥理作用[6].銀杏葉提取物的神經(jīng)保護(hù)作用已被廣泛認(rèn)可,文獻(xiàn)報(bào)道其作用機(jī)制主要是與清除ROS等氧自由基、提高谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GSH-Px)等抗氧化酶活性、抑制脂質(zhì)過(guò)氧化[7]等有關(guān),而在糖代謝方面鮮有報(bào)道.本研究采用銀杏葉提取物作用于H2O2誘導(dǎo)的SH-SY5Y氧化損傷細(xì)胞,以觀察銀杏葉提取物對(duì)SH-SY5Y氧化損傷細(xì)胞的保護(hù)作用及對(duì)糖代謝的影響,從而為銀杏葉提取物的神經(jīng)保護(hù)作用及機(jī)制研究提供思路.
人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞(SH-SY5Y)由哈爾濱商業(yè)大學(xué)藥學(xué)院保存;銀杏葉提取物注射液(L1100)購(gòu)自中豪國(guó)際有限公司;H2O2購(gòu)自天津北聯(lián)試劑;DMEM培養(yǎng)液、胎牛血清、胰蛋白酶購(gòu)自Invitrogen公司;MTT購(gòu)自Sigma公司;Anexin V試劑盒購(gòu)自生工生物工程有限公司;HE試劑盒、PI染料、己糖激酶試劑盒、丙酮酸激酶試劑盒、琥珀酸脫氫酶試劑盒、蘋(píng)果酸脫氫酶試劑盒及LD、ATP含量測(cè)定試劑盒均購(gòu)于南京建成生物工程研究所.
1.2.1 細(xì)胞培養(yǎng)
人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞(SH-SYY5)在含有10%胎牛血清及1%青鏈霉素的DMEM培養(yǎng)基中,置于37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng),2~3天傳代1次.
1.2.2 SH-SY5Y細(xì)胞氧化損傷模型中H2O2的濃度篩選
取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的SH-SY5Y細(xì)胞,用PBS漂洗、胰酶消化,制成單細(xì)胞懸液并調(diào)整細(xì)胞濃度為1×105個(gè)/mL.取96孔板,四周每孔加入100 μL PBS,其余每孔加細(xì)胞懸液100 μL,置于37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h,棄原液,實(shí)驗(yàn)組每孔分別加入100 μL終濃度為0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、1.75 mmol/L的H2O2,對(duì)照組加入等量無(wú)血清DMEM培養(yǎng)基.每組設(shè)6個(gè)復(fù)孔,培養(yǎng)24 h后加10 μL MTT,繼續(xù)培養(yǎng)4 h后加入150 μL DMSO,在490 nm波長(zhǎng)檢測(cè)吸光度(OD)值.具體方法參考文獻(xiàn)[8].
1.2.3 銀杏葉提取物給藥濃度篩選
將對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期SH-SY5Y細(xì)胞制成單細(xì)胞懸液,調(diào)整細(xì)胞濃度為1×105個(gè)/mL,鋪于96孔板.設(shè)置對(duì)照組、模型組(1.0 mmol/L H2O2)、銀杏葉提取物給藥組.給藥組加入100 μL終濃度分別為50、100、200、400、800 μmol/L的銀杏葉提取物,對(duì)照組和模型組加等量無(wú)血清DMEM培養(yǎng)基.每組各設(shè)6個(gè)復(fù)孔,放入5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4 h后,模型組、給藥組分別加入100μL終濃度為1.0 mmol/L的H2O2,對(duì)照組加入等量無(wú)血清DMEM培養(yǎng)基,后續(xù)操作同1.2.2.
1.2.4 生長(zhǎng)曲線法
取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的SH-SY5Y細(xì)胞制成單細(xì)胞懸液,調(diào)整濃度為1×105個(gè)/mL接種于24孔板中,每孔400 μL,37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h.給藥組加入400 μL終濃度為100 μmol/L銀杏葉提取物,對(duì)照組和模型組加入等量無(wú)血清DMEM培養(yǎng)基.放入培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4 h后,模型組、給藥組加入400 μL終濃度為1.0 mmol/L的H2O2,繼續(xù)培養(yǎng)24 h.每組設(shè)置3個(gè)復(fù)孔,加入0.4%臺(tái)盼藍(lán)溶液.在光鏡下多次計(jì)數(shù)取平均值,持續(xù)計(jì)數(shù)6 d,繪制生長(zhǎng)曲線.
1.2.5 HE染色法
取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的SH-SY5Y細(xì)胞制成單細(xì)胞懸液,調(diào)整細(xì)胞濃度為1×105/mL.將消毒后的蓋玻片放置于6孔板中,每孔滴加1 mL細(xì)胞懸液于蓋玻片上,靜置15 min,37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h.給藥組加入1 mL終濃度為100 μmol/L銀杏葉提取物,對(duì)照組和模型組加入等量無(wú)血清DMEM培養(yǎng)基.放入培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4 h后,模型組、給藥組加入1mL終濃度為1.0 mmol/L的H2O2.用蘇木素-伊紅(HE)染色、顯微鏡觀察,具體方法參考文獻(xiàn)[8].
1.2.6 流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)細(xì)胞周期
取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的SH-SY5Y細(xì)胞制成單細(xì)胞懸液,調(diào)整濃度為2×105/mL.每孔加入1 mL細(xì)胞懸液于6孔板.給藥組加入1 mL終濃度為100 μmol/L銀杏葉提取物,對(duì)照組和模型組分別加入等量無(wú)血清DMEM培養(yǎng)基.放入37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4 h后,模型組、給藥組加入1 mL終濃度為1.0 mmol/L的H2O2,繼續(xù)培養(yǎng)24 h.收集細(xì)胞,細(xì)胞固定、染色、上機(jī)檢測(cè),按照試劑盒進(jìn)行詳細(xì)操作,采用Flowjo 10.0分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.
1.2.7 流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)細(xì)胞凋亡(Annexin)
同1.2.6分組處理并收集細(xì)胞,1 000 r/min離心5 min,棄上清,加入10 μL標(biāo)記溶液進(jìn)行細(xì)胞重懸,室溫避光孵育15 min.再次離心,加入熒光溶液,4 ℃冰箱避光20 min,并適當(dāng)振動(dòng).過(guò)400目尼龍篩,上機(jī)檢測(cè),具體步驟按照試劑盒進(jìn)行操作.采用Flowjo 10.0分析結(jié)果.
1.2.8 糖代謝相關(guān)酶活力及代謝產(chǎn)物含量測(cè)定
將對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的SH-SY5Y細(xì)胞制成細(xì)胞懸液,調(diào)整細(xì)胞濃度為2×105個(gè)/mL,每孔1 mL接種于6孔板中,置37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h.給藥組加入1 mL終濃度為100 μmol/L的銀杏葉提取物,對(duì)照組和模型組加入等體積的無(wú)血清DMEM培養(yǎng)液.放入37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4 h后,模型組、給藥組加入1mL終濃度為1.0 mmol/L的H2O2,繼續(xù)培養(yǎng)24 h.收集細(xì)胞,2 000 r/min離心5 min,棄去上清液.0.9%生理鹽水重懸細(xì)胞2次,將樣品置于超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)粉碎.ATP樣品加入300 μL熱雙蒸水,沸水浴中勻漿破碎后繼續(xù)加熱10 min,將懸液取出繼續(xù)漩渦混勻.取一部分樣品用于測(cè)定樣品含蛋白量,其余樣品按照試劑盒操作測(cè)定HK、PK、SDH、MDH的酶活力及含LD和ATP的量.具體方法參考文獻(xiàn)[8].
1.2.9 統(tǒng)計(jì)方法
MTT結(jié)果顯示,H2O2可明顯抑制細(xì)胞增殖.隨H2O2濃度的升高,對(duì)SH-SY5Y細(xì)胞的增殖抑制作用逐漸增強(qiáng),梯度變化明顯,具有明顯的濃度依賴性.測(cè)得IC50值為1.13 mmol/L,H2O2的濃度為1.0 mmol/L時(shí)抑制率為39.14%,1.25 mmol/L 時(shí)抑制率為87.37%.結(jié)合IC50值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),選定1.0 mmol/L的H2O2為SH-SY5Y氧化損傷細(xì)胞的造模濃度.見(jiàn)表1.
表1 不同濃度H2O2對(duì)SH-SY5Y細(xì)胞活性的影響
根據(jù)MTT結(jié)果,模型組細(xì)胞抑制率為39.14%.給藥組與模型組相比,隨銀杏葉提取物濃度的升高,SH-SY5Y損傷細(xì)胞的抑制作用逐漸降低.根據(jù)多次MTT預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,銀杏葉提取物終濃度為100 μmol/L時(shí)抑制率為11.15%,200 μmol/L抑制率為10.78%.100 μmol/L相對(duì)于200 μmol/L的給藥濃度低但作用效果接近,因此選定100 μmol/L為銀杏葉提取物的給藥濃度,并用于后續(xù)實(shí)驗(yàn).見(jiàn)表2.
表2 不同濃度的銀杏葉提取物對(duì)H2O2誘導(dǎo)SH-SY5Y損傷細(xì)胞的影響
如圖1所示,對(duì)照組SH-SY5Y細(xì)胞在第3天細(xì)胞數(shù)達(dá)到峰值.模型組在第2天細(xì)胞數(shù)達(dá)到峰值,與對(duì)照組相比模型組細(xì)胞數(shù)減少.銀杏葉提取物給藥組細(xì)胞數(shù)始終高于模型組,與對(duì)照組生長(zhǎng)趨勢(shì)相近,在第4天給藥組與對(duì)照組細(xì)胞濃度接近.推測(cè)銀杏葉提取物可以促進(jìn)細(xì)胞增殖,同MTT實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.
圖1 銀杏葉提取物作用H2O2誘導(dǎo)SH-SY5Y損傷細(xì)胞的生長(zhǎng)曲線
如圖2所示,與對(duì)照相比,模型組SH-SY5Y細(xì)胞數(shù)量明顯減少,細(xì)胞形態(tài)改變明顯且不規(guī)則、細(xì)胞核顏色加深、胞質(zhì)凝集.銀杏葉提取物給藥組與模型組相比,細(xì)胞數(shù)量較多、細(xì)胞形態(tài)改變較小,細(xì)胞數(shù)量和形態(tài)與對(duì)照組細(xì)胞更接近.
采用流式細(xì)胞儀PI單染法檢測(cè)細(xì)胞周期.結(jié)果如圖3、4所示,與對(duì)照組相比,模型組G0/G1與G2/M期百分率顯著下降(P<0.01),S期百分率略有升高.與模型組相比,銀杏葉提取物給藥組G0/G1期和G2/M期百分率顯著升高(P<0.01,P<0.05).因此推測(cè)銀杏葉提取物可改善H2O2所致SH-SY5Y損傷細(xì)胞的周期.
如圖5所示結(jié)果,模型組SH-SY5Y細(xì)胞凋亡率為36.1%,與對(duì)照相比,細(xì)胞凋亡率明顯升高(P<0.01).銀杏葉提取物給藥組細(xì)胞凋亡率為6.35%,與模型組相比,細(xì)胞凋亡率顯著降低(P<0.01).銀杏葉提取物可降低H2O2所致SH-SY5Y損傷細(xì)胞的凋亡率.
圖2 銀杏葉提取物作用H2O2誘導(dǎo)SH-SY5Y損傷細(xì)胞的HE染色結(jié)果(40×10)
圖3 銀杏葉提取物作用H2O2誘導(dǎo)SH-SY5Y損傷細(xì)胞流式檢測(cè)細(xì)胞周期結(jié)果
注:與對(duì)照組相比,##P<0.01,#P<0.05;與模型組相比,**P<0.01,*P<0.05
在糖代謝的過(guò)程中,HK、PK是糖酵解的第一個(gè)和最后一個(gè)關(guān)鍵酶,SDH、MDH屬于三羧酸循環(huán)中的酶,其催化反應(yīng)脫下的氫可直接進(jìn)入氧化磷酸化產(chǎn)能過(guò)程.如表3所示,與對(duì)照組相比,模型組HK、PK、SDH、MDH的活力值均明顯減低(P<0.01),說(shuō)明H2O2影響了SH-SY5Y細(xì)胞糖酵解和有氧氧化過(guò)程.與模型組相比,銀杏葉提取物給藥組HK、PK、SDH、MDH的活力明顯增高(P<0.01),因此推測(cè)銀杏葉提取物可通過(guò)提高兩種產(chǎn)能途徑相關(guān)酶活力改善SH-SY5Y損傷細(xì)胞的糖代謝過(guò)程.
圖5 銀杏葉提取物作用H2O2誘導(dǎo)SH-SY5Y損傷細(xì)胞流式檢測(cè)細(xì)胞凋亡結(jié)果
表3 銀杏葉提取物對(duì)H2O2誘導(dǎo)SH-SY5Y損傷細(xì)胞糖代謝酶活力的影響
注:與對(duì)照組相比,##P<0.01,#P<0.05;與模型組相比,**P<0.01,*P<0.05
LD是糖酵解的最終產(chǎn)物,影響細(xì)胞周?chē)乃嵝原h(huán)境.ATP是能量的利用和貯存中心,關(guān)系到細(xì)胞的增殖、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化等各種生理功能.如表4所示,與對(duì)照組比較,模型組細(xì)胞含LD和ATP量顯著減低(P<0.01).與模型組相比,銀杏葉提取物給藥組含LD和ATP量明顯增加(P<0.01),說(shuō)明H2O2通過(guò)減少糖酵解和有氧氧化過(guò)程中LD和ATP的量進(jìn)而影響能量生成,而銀杏葉提取物可增加SH-SY5Y損傷細(xì)胞含LD和ATP的量.
表4 銀杏葉提取物對(duì)H2O2誘導(dǎo)SH-SY5Y損傷細(xì)胞含糖代謝產(chǎn)物量的影響
注:與對(duì)照組相比,##P<0.01,#P<0.05;與模型組相比,**P<0.01,*P<0.05
隨著人口老齡化速度的加劇,神經(jīng)退行性疾病嚴(yán)重威脅人類的健康[9].氧化應(yīng)激被認(rèn)為是引起神經(jīng)退行性疾病的重要因素之一.當(dāng)細(xì)胞積累某些過(guò)量的活性物質(zhì)時(shí),氧化和抗氧化動(dòng)態(tài)平衡會(huì)被破壞,產(chǎn)生氧化損傷,其中H2O2是活性物質(zhì)之一[10].由于H2O2易透過(guò)細(xì)胞膜而引起氧化應(yīng)激反應(yīng),多用于構(gòu)建氧化應(yīng)激導(dǎo)致神經(jīng)損傷的體外細(xì)胞模型.在正常條件下,葡萄糖是腦組織的唯一能源,并且腦細(xì)胞中含有完整的糖酵解酶系.研究發(fā)現(xiàn),腦是機(jī)體糖代謝最旺盛的器官,因此充足的氧和能量供應(yīng)是維持腦正常生理功能的重要條件[11].若糖代謝紊亂,將會(huì)影響神經(jīng)細(xì)胞正常的生理功能以及神經(jīng)細(xì)胞周?chē)奈h(huán)境[12].很多文獻(xiàn)報(bào)道銀杏葉提取物通過(guò)降低腦組織活性氧含量、提高抗氧化酶的活性來(lái)改善氧化應(yīng)激造成的神經(jīng)損傷[13],ROS與線粒體的能量生成和細(xì)胞凋亡等生理活動(dòng)密切相關(guān)[14].但銀杏葉提取物是否會(huì)通過(guò)影響腦的糖代謝、增加腦的能量生成等途徑來(lái)達(dá)到治療神經(jīng)退行性疾病的目的,其相關(guān)實(shí)驗(yàn)還鮮有報(bào)道.
為了探究銀杏葉提取物對(duì)H2O2所致SH-SY5Y損傷細(xì)胞活性的影響,本實(shí)驗(yàn)選用H2O2造模,MTT結(jié)果顯示隨H2O2濃度的升高,對(duì)SH-SY5Y細(xì)胞的增殖抑制作用逐漸增強(qiáng),具有明顯的濃度依賴性.測(cè)得IC50值為1.13 mmol/L,當(dāng)H2O2濃度為1.0 mmol/L時(shí)抑制率為39.14%,當(dāng)H2O2濃度為1.25 mmol/L時(shí)抑制率為87.37%.結(jié)合IC50值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),最終選定1.0 mmol/LH2O2為SH-SY5Y細(xì)胞氧化損傷造的模濃度.在篩選銀杏葉提取物最終給藥濃度時(shí),與模型組相比,隨銀杏葉提取物濃度的升高,SH-SY5Y損傷細(xì)胞的抑制作用逐漸降低.當(dāng)銀杏葉提取物終濃度為100 μmol/L時(shí)抑制率為11.15%,200 μmol/L時(shí)抑制率為10.78%.100 μmol/L比200 μmol/L的給藥濃度低,但作用效果接近,因此選定100 μmol/L為最終給藥濃度,并用于后續(xù)實(shí)驗(yàn).
生長(zhǎng)曲線法顯示銀杏葉提取物可保護(hù)H2O2損傷的SH-SY5Y細(xì)胞,且具有時(shí)間依賴性.與模型組相比,銀杏葉提取物給藥組細(xì)胞數(shù)量明顯增多,且與對(duì)照組生長(zhǎng)趨勢(shì)相近,在第4天時(shí)給藥組與對(duì)照組細(xì)胞濃度接近.流式細(xì)胞儀PI單染檢測(cè)細(xì)胞周期的結(jié)果顯示,與模型組比,銀杏葉提取物給藥組在G0/G1期和G2/M期百分率顯著升高(P<0.01,P<0.05).因此推測(cè)銀杏葉提取物能提高H2O2所致SH-SY5Y損傷細(xì)胞的增殖活性.
細(xì)胞凋亡是導(dǎo)致AD患者神經(jīng)元減少以及認(rèn)知功能障礙的重要原因[15],本實(shí)驗(yàn)采用Anexin V單染法檢測(cè)凋亡活性,模型組細(xì)胞的凋亡率為36.1%,銀杏葉提取物給藥組細(xì)胞凋亡率為6.35%.與模型組相比,細(xì)胞凋亡率顯著降低(P<0.01).由此推斷銀杏葉提取物可抑制SH-SY5Y損傷細(xì)胞的凋亡.HE染色結(jié)果顯示,模型組細(xì)胞數(shù)明顯減少,形態(tài)不規(guī)則、細(xì)胞核顏色加深、細(xì)胞質(zhì)凝集.而銀杏葉提取物給藥組與模型組相比,細(xì)胞數(shù)目增多,形態(tài)趨于對(duì)照組,說(shuō)明銀杏葉提取物可改善H2O2誘導(dǎo)的SH-SY5Y損傷細(xì)胞的形態(tài).
為了進(jìn)一步探究銀杏葉提取物對(duì)SH-SY5Y損傷細(xì)胞糖代謝的影響,本實(shí)驗(yàn)采用了分光光度試劑盒檢測(cè)了糖代謝相關(guān)酶活力和糖代謝產(chǎn)物的含量.其中HK、PK是糖酵解途徑的關(guān)鍵酶,其活力高低決定糖酵解的速度和方向.SDH是唯一存在于線粒體內(nèi)膜上的酶,其活性可直接反映線粒體功能.SDH、MDH是三羧酸循環(huán)中的脫氫酶,其脫下的氫可以進(jìn)入呼吸鏈的氧化磷酸化過(guò)程并產(chǎn)生ATP,其活力可測(cè)定三羧酸循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)效率.乳酸是糖酵解代謝終產(chǎn)物,ATP為所有細(xì)胞能量代謝的終產(chǎn)物,反映總體能量供應(yīng)情況.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,模型組HK、PK、SDH、MDH的酶活力、含LD和ATP的量均明顯降低,推測(cè)H2O2可抑制SH-SY5Y糖酵解、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化過(guò)程,破壞細(xì)胞線粒體功能,抑制產(chǎn)能并最終造成細(xì)胞損傷.而經(jīng)銀杏葉提取物預(yù)處理后,HK、PK、SDH、MDH的酶活力和能量代謝產(chǎn)物含LD、ATP的量明顯增加,推測(cè)銀杏葉提取物可通調(diào)節(jié)糖代謝相關(guān)酶活力、增加含LD和ATP的量來(lái)保護(hù)H2O2誘導(dǎo)的SH-SY5Y損傷細(xì)胞.
綜上所述,推測(cè)銀杏葉提取物可以通過(guò)提高糖代謝相關(guān)酶HK、PK、SDH、MDH的活力和增加代謝產(chǎn)物L(fēng)D和ATP的含量促進(jìn)H2O2誘導(dǎo)SH-SY5Y氧化損傷細(xì)胞的增殖,抑制其凋亡,進(jìn)而達(dá)到神經(jīng)保護(hù)作用.對(duì)神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制、臨床治療具有一定的指導(dǎo)意義,同時(shí)也對(duì)銀杏葉提取物的臨床應(yīng)用及作用機(jī)制研究提供了新的思路.