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1 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2012, 47 (11): 维康醇抑制白血病 HL-60 细胞增殖机制研究 刘亮亮 1, 陈娜 1, 袁萱 2, 姚瑛 3, 张波 1, 郑秋生 1* (1. 石河子大学药学院, 新疆特种植物药资源教育部重点实验室, 新疆石河子 ; 2. 兰州大学第二医院, 甘肃兰州 ; 3. 宁夏回族自治区人民医院, 宁夏银川 ) 摘要 : 本研究探讨维康醇抑制白血病 HL-60 细胞增殖的机制 SRB 法检测维康醇对白血病 HL-60 细胞增殖的影响, Hoechst 染色观察药物处理后细胞形态的变化, NBT 还原法测定药物对细胞还原力的影响, AO/EB 荧光染色观察细胞凋亡形态, Annexin V-FITC/PI 双染检测细胞凋亡率, 流式细胞术测定细胞周期分布, Western blotting 检测细胞周期相关蛋白的表达 结果发现, 维康醇对 HL-60 细胞的增殖有明显的抑制作用, 且呈浓度依赖性 ; 维康醇既不能明显诱导白血病 HL-60 细胞分化, 也不能诱导细胞凋亡 ; 但维康醇可诱导细胞周期 G 1 期比例显著升高, 并下调细胞周期蛋白 CyclinD1 和细胞周期蛋白依赖性激酶的底物磷酸化的 Rb 蛋白表达 结果表明, 维康醇可能通过诱导细胞周期 G 1 期阻滞抑制白血病 HL-60 细胞增殖 关键词 : HL-60; 维康醇 ; 分化 ; 细胞凋亡 ; 细胞周期中图分类号 : R963 文献标识码 : A 文章编号 : (2012) The mechanism of alteronol inhibiting the proliferation of human promyelocytic leukemia HL-60 cells LIU Liang-liang 1, CHEN Na 1, YUAN Xuan 2, YAO Ying 3, ZHANG Bo 1, ZHENG Qiu-sheng 1* (1. Key Laboratory of Xinjiang Endemic Phytomedicine Resources, School of Pharmacy, Shihezi University, Shihezi , China; 2. No.2 Hospital of Lanzhou University, Lanzhou , China; 3. Ningxia People s Hospital, Yinchuan , China) Abstract: This study is to investigate the mechanism of human promyelocytic leukemia HL-60 cells proliferation induced by alteronol in vitro. Human promyelocytic leukemia HL-60 cells cultured in vitro were treated with different concentrations of alteronol. Inhibition rate was detected by SRB assay. Cellular morphological changes were observed by Hoechst and AO/EB (acridine orange/ethidium bromide dye) staining. The apoptosis rate was determined by Annexin V-FITC/PI assay. Cell cycle distribution was determined by flow cytometry. Western blotting analysis was carried out to determine the cell cycle related proteins. The proliferation of HL-60 cells treated with alteronol was inhibited in a concentration-dependent manner. Based on cell viability assay, observation on cell morphology and apoptosis rate, it confirmed that alteronol played an obvious role in proliferation inhibition of human promyelocytic leukemia HL-60 cells, but it did not induce apoptosis in human promyelocytic leukemia HL-60 cells in different concentrations groups. Alteronol could effectively inhibit the proliferation of human promyelocytic leukemia HL-60 cells inducing cell cycle arrest at G 1 phase, as well as, alteration expression of cell cycle proteins level of CyclinD1 and prb. Key words: HL-60; alteronol; differentiation; apoptosis; cell cycle 收稿日期 : ; 修回日期 : 基金项目 : 国家 重大新药创制 科技重大专项 (2009ZX ); 兵团杰出青年创新基金专项 (2011CD0006). * 通讯作者 Tel / Fax: , zqsyt@sohu.com

2 1478 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2012, 47 (11): 紫杉醇是一种多官能团的二萜类化合物, 1971 年从红豆杉树皮内首次分离得到 [1], 紫杉醇能够有效抑制多种肿瘤增殖 [2] 然而剥离树皮会破坏稀有植物资源, 研究人员正在试图通过新的方法来得到新的化合物 作者课题组在利用发酵法生产紫杉醇时得到一种新化合物, 将其命名为维康醇 维康醇的相对分子质量为 352 ( 图 1), 其同分异构体维泰醇在体外试验中已经被证明对多种肿瘤细胞的增殖都有较好的抑制作用 研究表明, 维泰醇可通过诱导 MGC803 细胞 G 2 /M 期阻滞和凋亡而抑制其增殖 [3] ; 可通过激活线粒体调控的凋亡通路诱导小鼠淋巴白血病细胞 (L1210) 凋亡 [4] 有关维康醇的抗肿瘤作用研究至今未见报道, 因此本文探讨了维康醇抑制 HL-60 细胞增殖的可能机制, 为进一步研究维康醇抗癌作用机制, 寻找确切作用靶点奠定基础 Figure 1 Chemical structure of alteronol 材料与方法药物与试剂维康醇 (C 20 H 16 O 6, 纯度为 98%) 由汕头市双骏生物科技有限公司应用生物技术研究所提供 RPMI 1640 培养基 (Gibco 公司 ); 胎牛血清 ( 杭州四季青生物工程材料有限公司 ) SRB 台盼蓝 Hoechst 染料 硝基蓝四氮唑 (NBT) 溴化乙锭 (EB) 及吖啶橙 (AO) 碘化丙啶 (PI) 染液均为 Sigma 公司产品 CyclinD1 磷酸化的 Rb 抗体和 β-actin 内参及相应的二抗均购自美国 Santa Cruz 公司 SRB 法测定细胞增殖抑制率取 HL-60 ( 人白血病细胞 ), 用含 10% 小牛血清 链霉素 (100 µg ml 1 ) 青霉素钠 (100 u ml 1 ) 的 RPMI 1640 培养液 (ph 7.5), 在 37 5% CO 2 95% 空气和 100% 饱和湿度条件下常规培养, 取对数生长期细胞进行各项实验 每 24 h 换培养液 1 次 ; 每培养 2 天细胞传代 1 次 取对数生长期 HL-60 细胞, 计数后用完全培养基制成细胞悬液, 以细胞数 /ml 接种于 96 孔板中 (100 μl/ 孔 ), 加不同质量浓度 (0.1~10 µg ml 1 ) 的维康醇 每组设 4 个平行孔, 用添加完全培养液的 3 个无细胞孔作为本底对照组, 使药物混匀, 置于 CO 2 培养箱中继续培养 48 h 后, 每孔轻轻地加入 16% ( 终浓度 ) 的三氯醋酸固定, 静置 5 min 后移到 4 放置 1 h 后倒掉固定液, 用去离子水洗 5 遍, 室温干燥 每孔加入 0.4% SRB 50 μl, 室温放置 20 min, 用 1% 冰醋酸溶液洗 5 遍, 室温干燥 加入 10 mmol L 1 Tris-HCl (ph 10.5) 150 μl 溶解, 酶标仪在 490 nm 波长处测定每孔的吸收度值 按公式计算增殖抑制率 : 增殖抑制率 = (A treat A blank )/(A control A blank ) 100% 台盼蓝拒染法测定维康醇对 HL-60 细胞的致死率取对数生长期的 HL-60 细胞, 于超净工作台下, 用移液管吹打细胞瓶壁, 制成细胞悬液, 计数并调整细胞数为 /ml, 按 3 ml/ 孔加入 6 孔板中, 加入维康醇, 其终质量浓度分别为 和 3.2 µg ml 1, 培养 48 h, 取细胞悬液 90 μl 加于 200 μl 离心管中, 再加入 0.4% 台盼蓝染液 10 μl, 用细胞计数器计数死细胞个数, 计算维康醇对 HL-60 细胞的致死率 [5] 致死率 = 死细胞数 /( 死细胞数 + 活细胞数 ) 100% Hoechst 染色观察细胞分化形态取处于指数生长期的 HL-60 细胞, 用含 10% 胎牛血清的 RPMI 1640 培养液配成悬液, 用血球细胞板计数, 调整细胞数为 /ml, 置于 6 孔细胞培养板, 加入不同质量浓度维康醇 ( 和 3.2 µg ml 1 ) 每孔加细胞悬液 3 ml 将细胞板置于 37 5% CO 2 的培养箱中分别孵育 72 h 后取出 用枪头将细胞吹散, 吸取细胞液 100 μl, 悬空滴于载玻片上, 空气中干燥, 用固定液 ( 甲醇 冰醋酸 = 3 1) 固定 10 min, 用蒸馏水冲洗, 干燥 ; 加适量 Hoechst 染色液染色 10 min, 用蒸馏水将未结合的荧光染料洗净, 荧光显微镜下观察细胞分化形态 NBT 还原实验测定细胞还原力取维康醇处理 72 h 的 HL-60 细胞, 用台盼蓝拒染法进行计数 取 个细胞, 300 g 离心 5 min, 弃上清液, 加 5 mg ml 1 NBT 液 100 μl 重悬细胞, 混匀, 再加入 2 μg ml 1 TPA 100 μl, 然后将细胞置于 37 恒温培养箱中 30 min, 最后加入 4 预冷的 1 mol L 1 HCl 200 μl 结束反应 离心弃上清液, 加入 DMSO 600 μl, 混匀后加于 96 孔板, 在酶标仪 (Thermo 3001) 上测定其 560 nm 的吸收度值 [6] AO/EB 观察细胞凋亡形态取对数生长期的 HL-60 细胞, 用含 10% 胎牛血清的 RPMI 1640 培养液配成悬液, 并用血球细胞板计数, 调整细胞数为 /ml, 取 6 孔细胞培养板, 每孔加细胞悬液 3 ml, 将每组药液分别加入各孔中 将细胞板置于 37

3 刘亮亮等 : 维康醇抑制白血病 HL-60 细胞增殖机制研究 % CO 2 的培养箱中分别孵育 24 h 后取出 用枪头将细胞吹散, 吸取细胞液 100 μl, 悬空滴于载玻片上, 空气中干燥, 加 1 滴混合荧光染色液 [ 含 100 g ml 1 吖啶橙 (AO) 和 100 µg ml 1 溴化乙锭 (EB)] 混匀, 压盖玻片, 荧光显微镜观察凋亡细胞形态 流式细胞术测定细胞凋亡率细胞经药物作用 24 h 后离心 (300 g 离心 5 min) 收集 用 PBS 洗涤细胞 1 次 (300 g 离心 5 min), 调整细胞数为 /ml 加入 Binding buffer 悬浮细胞液 500 μl 加入 Annexin V-FITC 5 μl 混匀后, 加入碘化丙啶 (propidium iodide, PI) 5 μl, 混匀 室温, 避光, 反应 10 min, 在 1 h 内进行流式细胞仪的观察和检测 激发波长 E x = 488 nm; 发射波长 E m = 530 nm 细胞周期的检测细胞经过维康醇处理 24 h 后, 收集细胞于离心管中, 离心弃上清液, 加预冷的 70% 乙醇 3 ml, 边加边振荡, 使细胞完全分散后置 4 冰箱过夜, 然后离心弃去乙醇, 加 PBS 洗 2 遍, 最后加配好的 PI 染液 (0.05 mg ml 1 ), RNase A (0.5 mg ml 1 ) 避光染色 30 min 用流式细胞仪检测各细胞周期所占的比例 [7], 激发波长 E x = 488 nm; 发射波长 E m = 650 nm Western blotting 测定细胞周期相关蛋白收集经药物处理后的细胞, 加入细胞裂解液 ( 碧云天公司 ), 冰浴裂解 30 min, 于 g 离心 15 min, 取上清液 蛋白定量后, 分别取 50 μg 的蛋白加入上样缓冲液, 95 变性 10 min 12% 聚丙烯酰胺 -SDS 凝胶电泳后, 电转移至硝酸纤维素膜上, 5% 脱脂奶粉封闭后依次加入一抗和二抗, 室温孵育 2 h, TBST 缓冲液洗涤 5 次, 每次 10 min 加入化学发光试剂后放入暗盒中压片并依次显影 定影 摄像 [8] 统计学分析所有实验均设 3 个平行组或重复 3 次, 结果以 x ± s 表示, 以 t 检验 (Origin 6.0 统计软件 ) 进行组间比较 结果 1 维康醇明显抑制 HL-60 细胞生长维康醇以不同浓度分别作用于 HL-60 细胞 48 h 后, 抑制率呈明显的量效关系 ( 图 2) 维康醇对 HL-60 细胞的 IC 50 为 (0.85 ± 0.11) µg ml 1, 当药物浓度为 及 1.6 µg ml 1 时, 抑制率分别为 (15.11 ± 2.74) % (50.03 ± 3.49) % 及 (82.04 ± 92) % 2 维康醇对 HL-60 细胞致死率的影响随着维康醇浓度的增加以及作用时间的延长, 药物对细胞的致死率不断增强, 呈现时间和浓度依赖性 ( 图 3) 当 0.8 µg ml 1 维康醇作用 HL-60 细胞 24 h 后, 细胞的致死率为 2%, 但是相同浓度维康醇作用 72 h 后, HL-60 细胞的致死率达到了 36% Figure 2 Effect of alteronol on the proliferation rate of HL-60 cells. n = 3, x ± s Figure 3 Effect of alteronol on the cell vitality of HL-60 cells 3 维康醇不能诱导 HL-60 细胞出现典型分化形态若 HL-60 细胞被诱导分化, 细胞核会呈马蹄形 肾形 [9] 经 Hoechst 染色后, 在荧光显微镜下观察, 如图 4 所示 : HL-60 细胞核为核圆形或椭圆形, 发出亮蓝色荧光 ( 空白组 ); 经过维康醇处理 72 h 后, 细胞核变小并出现凹陷呈肾形 分叶状或多核, 细胞趋向成熟粒系分化, 但是随着浓度的增加, 成熟粒细胞的比例未见明显增加 4 维康醇不能显著升高 HL-60 细胞还原能力 HL-60 细胞对 NBT 的还原能力越强, 表明 HL-60 细胞分化的程度就越高 从图 5 可知, 阳性对照维甲酸 (RA) 处理组对 NBT 的还原能力比对照组有明显的提高 (P < 0.05) 经 及 1.6 µg ml 1 维康醇处理 72 h 后, 与对照组相比, 处理组细胞的还原能力虽然逐渐增加, 但差异无统计学意义 (P > 0.05)

4 1480 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2012, 47 (11): 度的加大, 维康醇能轻微诱导 HL-60 细胞凋亡, 与对 照组相比有显著差异, 但凋亡的比例仍比较低 (低 于 10%) Figure 4 Effect of alteronol on morphological changes in HL-60 cells observed by Hoechst staining Figure 6 Cellular morphological changes were observed by AO/EB. The cells were incubated with or without alteronol for 24 h Table 1 Effect of alteronol on apoptosis rate of HL-60 cells. n = 3, x ± s. *P < 0.05 vs control Concentration/µg ml 1 Figure 5 Effect of alteronol on the activity of NBT reduction in HL-60 cells. RA: Retinoic acid. n = 3. *P < 0.05 vs control 7 Apoptosis rate/% ± ± 0.2* ± 0.3* ± 0.5* 维康醇将 HL-60 细胞阻滞在 G1 期 流式细胞术细胞周期分析结果 (图 8) 显示, 维康 5 维康醇不能诱导细胞出现典型凋亡形态 由图 6 可见, 随着维康醇浓度的增加, HL-60 细 胞没有出现明显的凋亡形态 6 维康醇对 HL-60 细胞凋亡率无明显影响 分析流式细胞仪检测结果 (图 7 和表 1), 随着浓 Figure 7 Effect of alteronol on apoptosis rate of HL-60 cells. apoptosis rate was determined by flow cytometry 醇对 HL-60 细胞周期的分布有显著影响 1.6 µg ml 1 维康醇孵育 24 h 后, HL-60 细胞的 G1 期比例由 34.9% 上升到 53.0%; S 期比例则由 54.4%下降到 32.9%; G2 期比例变化不大 这些数据显示, 维康醇可将 HL-60 细胞周期阻滞在 G1 期 The cells were incubated with or without alteronol for 24 h. The

5 刘亮亮等 : 维康醇抑制白血病 HL-60 细胞增殖机制研究 1481 Figure 8 Effect of alteronol on HL-60 cells of G 1 phase arrest. After treatment with alteronol for 24 h, HL-60 cells were stained with PI and analyzed for DNA content by flow cytometry. n = 3, x ± s. * P < 0.05 vs control 8 维康醇下调 CyclinD1 和 prb 的蛋白表达 用不同浓度的维康醇处理 HL-60 细胞 48 h 后, 以 10% SDS-PAGE 电泳检测 CyclinD1 和 prb 蛋白 的表达 结果发现, 随着维康醇给药浓度的增加, CyclinD1 和 prb 蛋白表达显著下调 见图 9 Figure 9 Effect of alteronol on the protein levels of CyclinD1 and prb in HL-60 cells. Protein extracts were harvested from HL-60 cells exposed to alteronol (0, 0.4, 0.8 and 1.6 µg ml 1 ) for 48 h and subjected to Western blotting analysis using the specific antibodies for the CyclinD1 and prb proteins. n = 3, x ± s 讨论 在本研究中, 不同浓度的维康醇处理 HL-60 细 胞后, 细胞的增殖能力受到了明显的抑制 肿瘤细胞 的增殖受到抑制的可能机制主要有 4 种 : 1 引起细 胞的死亡 ( 包括凋亡和坏死 ); 2 引起细胞周期各时相的等比例延长 ; 3 细胞被阻滞在周期中的某一个时相 ; 4 细胞发生再分化, 失去了肿瘤细胞的恶性 [10, 特征 11] 为了明确维康醇抑制 HL-60 细胞增殖的机制, 首先研究 HL-60 细胞受到增殖抑制的原因是否是维康醇诱导细胞出现分化现象 分化是指在药物的作用下, 去分化的肿瘤细胞被诱导而重新向正常细胞分化, 表现为生物学特性均向正常细胞接近, 甚至转变成正常细胞, 可以通过细胞形态 细胞功能的变化 表面抗原的表达来检测 [12] 虽然维康醇使少数细胞表现出趋向成熟粒系分化的特征, 但是随着药物浓度的增大, 趋向成熟分化细胞所占比例无显著变化 同时, 维康醇处理没有使 HL-60 对 NBT 还原能力显著增强 这说明维康醇抑制 HL-60 细胞增殖并不是主要通过诱导其分化这一途径 作者假设维康醇是通过引起 HL-60 细胞凋亡或坏死来抑制其增殖 细胞凋亡时会发生很明显的形态学改变, 细胞体积缩小, 染色质逐渐凝集成新月状, 核碎裂, 继之细胞膜出泡, 形成凋亡小体 而细胞坏死时细胞形态表现为细胞器变形或肿大, 结构脂滴游离 空泡化, 核发生固缩或断裂, 胞膜破裂, 细胞内容物外溢等 在本研究中, 维康醇处理 HL-60 细胞后并没有出现典型的凋亡和坏死的形态 进一步用流式细胞技术研究表明, 维康醇诱导 HL-60 细胞凋亡的作用较弱, 在质量浓度为 1.6 µg ml 1 时, 其凋亡率仅为 9.8%, 同时细胞坏死率仅为 3.2% 最后, 采用流式细胞仪测定维康醇对 HL-60 细胞周期的影响, 结果显示, 在维康醇作用于 HL-60 细胞 24 h 后, G 1 期细胞所占比例显著增加, 并呈浓度依赖性 为了进一步证明维康醇抑制 HL-60 细胞增殖是通过将细胞周期阻滞在 G 1 期, 作者进一步检测了

6 1482 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2012, 47 (11): CyclinD1 和 prb 蛋白表达 在 G 1 /S 期限制点 Cyclin D 和 Cyclin E 分别与 CDK4 和 CDK2 形成激酶复合 体, 使 Rb 蛋白磷酸化 ; 低磷酸化状态的 Rb 蛋白失去 了对转录因子 E2F 的抑制作用, 使细胞通过限制点 进入 S 期 [13, 14] 作者研究结果表明, 维泰醇作用 HL-60 细胞 48 h 后, CyclinD1 和 prb 蛋白表达显著下调, 说 明 CyclinD1 的表达量下降使 Rb 蛋白的磷酸化程度降 低, 继而与 prb 结合的转录因子释放减少, 从而使细 胞周期阻滞在 G 1 期 细胞周期有两个关键的限制点 G 1 /S 期和 G 2 /M 期, 其中 G 1 /S 期是启动细胞周期的关键 衰老的细 胞因阻滞于 G 1 期会失去对有丝分裂信号的反应和合 成 DNA 的能力, 不能进入 S 期 已有研究证实, 一 旦细胞发生衰老, 细胞呈现终末分化状态, 此状态下 G 1 期细胞发生阻滞 [15] 正常细胞的衰老死亡是不可 避免的自然规律, 但肿瘤细胞可克服衰老机制的约 束并实现永生化 [16], 本研究结果表明维康醇在将 HL-60 细胞阻滞在 G 1 期后, 并未引发分化或凋亡, 所 以很可能是引发细胞走向衰老 上述结果表明, 维康醇抑制 HL-60 细胞增殖可 能是通过下调 CyclinD1 和 prb 的蛋白水平将细胞阻 滞在 G 1 期实现的 而具体 G 1 阻滞后是否引发衰老及 其深入机制还有待进一步研究 References [1] Miller MC 3rd, Johnson KR, Willingham MC, et al. Apoptotic cell death induced by baccatin III, a precursor of paclitaxel, may occur without G2/M arrest [J]. 1999, 44: Cancer Chemoth Pharm, [2] Shu CH, Yang WK, Shi YL, et al. Cell cycle G2/M arrest and activation of cyclin-dependent kinases associated with low- dose paclitaxel-induced sub-g1 apoptosis [J]. 1997, 2: Apoptosis, [3] Liu X, Wang JZ, Sun B, et al. Cell growth inhibition, G 2M cell cycle arrest, and apoptosis induced by the novel compound alternol in human gastric carcinoma cell line MGC803 [J]. Invest New Drugs, 2007, 25: [4] Liu ZZ, Chen JP, Zhao SL, et al. Apoptosis-inducing effect of alternol on mouse lymphocyte leukemia cells and its mechanism [J]. Acta Pharm Sin ( 药学学报 ), 2007, 42: [5] Philip S, Ritsa S, Dominic S, et al. New colorimetric cytotoxicity assay for anticancer-drug screening [J]. Natl Cancer Inst, 1990, 82: [6] Renzi D, Valtolina M, Foster R. The evaluation of a multiend-point cytotoxicity assay system [J]. Altern Lab Anim, 1993, 21: [7] Martinez VG, Williams KJ, Stratford IJ, et al. Overexpression of cytochrome P450 NADPH reductase sensitizes MDA231 breast carcinoma cells to 5-fluorouracil: possible mechanisms involved [J]. ToxicolI In Vitro, 2008, 22: [8] Xie SQ, Li Q, Zhang YH, et al. NPC-16, a novel naphthalimide-polyamine conjugate, induced apoptosis and autophagy in human hepatoma HepG2 cells and Bel-7402 cells [J]. Apoptosis, 2011, 16: [9] Wang N, Wang LW, Gou BD, et al. Realgar-induced differentiation is associated with MAPK pathways in HL-60 cells [J]. Cell Biol Int, 2008, 32: [10] Chen HY, Liu WH, Qin SK. Induction of arsenic trioxide on apoptosis of hepatocarcinoma cell lines [J]. World Chin J Digestol, 2000, 8: 532. [11] Tan TT, White E. Therapeutic targeting of death pathways in cancer: mechanisms for activating cell death in cancer cells [J]. Adv Exp Med Biol, 2008, 615: [12] Melet A, Song K, Bucur O, et al. Apoptotic pathways in tumor progression and therapy [J]. Adv Exp Med Biol, 2008, 615: [13] Swanton C. Cell-cycle targeted therapies [J]. Lancet Oncol, 2004, 5: [14] Blain SW, Scher HI, Cordon-Cardo C, et al. p27 as a target for cancer therapeutics [J]. Cancer Cell, 2003, 3: [15] Guney I, Wu S, Sedivy JM. Reduced c-myc signaling triggers telomere-independent senescence by regulating Bmi-1 and p16 (INK4a) [J]. Proc Natl Sci Acad USA, 2006, 103: [16] Zhang XM, Gao N, Chen RX, et al. Characteristics of boningmycin induced cellular senescence of human tumor cells [J]. Acta Pharm Sin ( 药学学报 ), 2010, 45:

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