全 文 :第44卷 第5期 陕西师范大学学报(自然科学版) Vol.44 No.5
2016年9月 Journal of Shaanxi Normal University(Natural Science Edition) Sep.,2016
文章编号:1672-4291(2016)05-0089-05 doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2016.05.355
收稿日期:2016-01-06
基金项目:国家自然科学基金(81202957);陕西省自然科学基金(2014JQ4144)
*通信作者:王筱冰,女,副教授,博士。E-mail:wangxiaobing@snnu.edu.cn
大金发藓乙酸乙酯提取物对K562细胞
膜的损伤效应
郭 玲1,雷成康2,袁文娟1,汤 薇3,
王 攀1,刘怡琳1,王筱冰1*
(1陕西师范大学 生命科学学院,陕西 西安710119;2西安市食品药品检验所,陕西 西安710054;
3陕西师范大学 化学化工学院,陕西 西安710119)
摘 要:为了探讨大金发藓乙酸乙酯提取物(PC-EEF)对K562细胞的膜损伤效应,应用 MTT法检测
PC-EEF对多种肿瘤细胞的细胞毒活性,台盼蓝拒染实验检测细胞存活力,相差显微镜观察K562细
胞形态的变化,FDA-PI双染检测细胞膜通透性变化,DiBAC4(3)染色检测细胞膜电位变化,Hoechst
33342-PI双染进一步验证细胞死亡的发生。研究结果显示:PC-EEF能显著地杀伤多种肿瘤细胞,其
中对K562细胞最为敏感,PC-EEF以时间和剂量依赖性的方式降低K562细胞存活力。PC-EEF可诱
导K562细胞发生显著膜损伤效应,表现为膜形态改变、膜通透性增加和膜电位下降。
关键词:大金发藓;乙酸乙酯组分;K562细胞;细胞毒活性;膜损伤效应
中图分类号:R285.5;R73-3 文献标志码:A
Damage effect of ethyl acetate extract of Polytrichum commune
on membrane of human leukemia K562cel
GUO Ling1,LEI Chengkang2,YUAN Wenjuan1,TANG Wei 3,
WANG Pan1,LIU Yilin1,WANG Xiaobing1*
(1School of Life Sciences,Shaanxi Normal University,Xi′an 710119,Shaanxi,China;
2Xi′an Institute for Food and Drug Control,Xi′an 710054,Shaanxi,China;
3School of Chemistry &Chemical Engineering,Shaanxi Normal University,
Xi′an 710119,Shaanxi,China)
Abstract:The efect of ethyl acctate extract of Polytrichum commune L.ex Hedw on the membrane of
human leukemia K562cel was investigated.MTT assay was used to evaluate the cytotoxicity of PC-EEF
on various cancer cels.Trypan blue exclusion test was also adopted to assess the viability of K562cels.
Cel morphological changes were evaluated under phase-contrast microscopy.Changes on plasma
membrane integrity and cel membrane potential were analyzed by FDA-PI double fluorescent dye
staining and DiBAC4(3)staining,respectively.Hoechst 33342-PI double staining further confirmed the
occurrence of cel death.Results showed that PC-EEF could efectively damage several cancer cels and
K562cel was the most afected one.PC-EEF decreased K562cel viability in a dose-and time-dependent
manner.PC-EEF exerted significant cel membrane damage efects,including cel morphological
deformation,membrane integrity loss and membrane depolarization.
Keywords:Polytrichum commune L.ex Hedw;ethyl acetate extract;K562cel;cytotoxic
activity;cel membrane damage effect
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大金发藓(Polytrichum commune L.ex Hedw)
又名独根草、土马鬃、小松柏等,多生于林下湿地[1],
为藓纲(Musci)金发藓科(Polytrichaceae)金发藓属
(Polytrichum)植物。全草入药,味甘,性凉,主治久
热不退、肺病咳嗽、跌打损伤等[2],其对高夫克氏球
菌、金色葡萄菌、肺炎球菌、结核杆菌具有抗性,且对
淋巴细胞白血病等癌症有一定抑制作用[3-4]。近年
来,有研究表明大金发藓有一定的抗癌活性[5-7],其
乙酸乙酯组分(PC-EEF)抗癌效果最为显著[6-7],但
是具体的作用机制尚不明确。因此,本文深入研究
了PC-EEF的抗肿瘤作用及其相关机制,以期为金
发藓属植物药用价值的开发应用提供一定理论
依据。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 细胞培养 人慢性髓系白血病 K562细胞
和人急性单核白血病U937细胞由中国北京协和医
科大学引进;人急性髓系白血病 HL-60细胞、人食
管癌ECA109细胞、人结直肠癌SW480细胞、人结
直肠癌SW620细胞和人乳腺癌 MDA-MB-231细
胞均由中国科学院上海生命科学研究院细胞资源中
心引进,本室传代保种。
K562、U937、HL-60、ECA109和SW480培养
于含10%新生牛血清、100U/mL青霉素、100μg/
mL链霉素、1mmol/L L-谷氨酰胺的 RPMI 1640
完全培养基中;MDA-MB-231培养于DMEM 培养
基中;SW620培养于L-15培养基中。上述细胞均
在5%的CO2、37℃培养箱及饱和水蒸气条件下常
规培养及传代,实验用细胞为对数生长期细胞。
1.1.2 大金发藓乙酸乙酯组分制备 大金发藓新
鲜植株采自陕西秦岭南麓平河梁(海拔2 305m,
3°27′N,108°30′E),经陕西师范大学肖亚萍教授鉴
定。大金发藓醇提物采用传统的溶剂浸提法结合超
声促提技术提取,然后依次采用石油醚、氯仿、乙酸
乙酯溶剂对醇提物进行分级萃取。将获得的PC-
EEF溶解在70%的乙醇中,上清液经0.22μm滤膜
过滤后用于后续研究。
1.1.3 试剂与仪器 RPMI-1640和L-谷氨酰胺购
自Sigma公司;DMEM 和L-15购自Gibco公司;新
生牛血清(Life Technologies公司),青、链霉素
(Hyclone公司),二甲基亚砜 (DMSO)、噻唑蓝
(MTT)、碘化丙啶(Propidium iodide,PI)、二乙酸
荧光素(Fluorescein diacetate,FDA)、Bis-(1,3-
dibutylbarbituric acid)trimethine oxonol[DiBAC4
(3)]和 Hoechst 33342均为Sigma公司产品。
1.2 实验方法
1.2.1 细胞毒性分析 PC-EEF作用于肿瘤细胞
的细胞毒效应采用 MTT法进行分析[8]。取对数生
长期细胞以1×105个/mL(ECA109和 MDA-MB-
231细胞密度为5×104个/mL)接种于96孔板中,
加入不同剂量的PC-EEF或70%乙醇(EtOH)药物
处理。将接种后的培养板置于37°C、5% CO2饱和
湿度孵箱内培养不同时间,避光条件下每孔加入20
μL MTT母液(2.5mg/mL),继续培养4h后,每孔
加入100μL三联液,37℃孵育17h,酶标仪检测
570nm处光吸收值(OD值),计算各组细胞存活
率:细胞存活率(%)=实验组 OD/对照组 OD×
100%。半数抑制浓度(IC50)为细胞存活率降为
50%时的药物浓度,釆用Logit法计算。
1.2.2 细胞存活力检测 K562细胞以1×105个/
mL接种于24孔板中,给予不同剂量的PC-EEF(0、
6、12和18μg/mL)分别处理24、48和72h。细胞
存活力由台盼蓝拒染实验决定,死、活细胞数在光学
显微镜下统计。细胞存活率(%)=未染色细胞数/
总细胞数×100%。
1.2.3 细胞形态观察 K562细胞以1×105个/
mL的密度接种于24孔板中,给予不同剂量的PC-
EEF(0、6、12和18μg/mL)分别孵育2、4和24h,
置于相差显微镜下观察细胞形态的变化。
1.2.4 细胞膜通透性分析 PI是一种膜非透性荧
光染料,可对DNA染色,在嵌入双链DNA后发出
红色荧光。PI可以穿过破损的细胞膜而对核染色,
因此PI常用来检测细胞膜通透性[9]。FDA自身没
有荧光,可进入活细胞被非特异性酯酶水解而产生
绿色荧光,当细胞完整性破坏时,FDA荧光会下降。
在本研究中,通过应用这两种荧光染料结合流式细
胞仪检测PC-EEF诱导的K562膜完整性变化。各
实验组细胞在处理后分别加入4μg/mL PI和2
μg/mL FDA,室温反应5min,然后用流式细胞仪检
测实验结果。
1.2.5 细胞膜电位测定 DiBAC4(3)是一种细胞
膜电位敏感的亲脂性荧光染料,它本身没有荧光,当
进入细胞与胞浆内蛋白质结合后才发出荧光。细胞
去极化时会导致DiBAC4(3)进入细胞量增多,从而
使细胞内荧光强度随之增加;反之,细胞超极化即膜
电位绝对值增加会引起胞内荧光强度降低[10]。PC-
EEF处理后24h,收集各组细胞,加入终浓度为5
μmol/L的DiBAC4(3),然后用流式细胞仪检测实
验结果。
1.2.6 Hoechst 33342-PI双染实验 细胞核凝集
和核片段化与细胞死亡相关,可通过 Hoechst
33342染色反映,而PI可进入膜损伤细胞而不被活
细胞摄取。因此 Hoechst 33342-PI双染实验可进
一步证明细胞死亡的发生[11]。PC-EEF处理24h
后,收集各组细胞,PBS清洗,分别加入5μmol/L
第5期 郭玲 等:大金发藓乙酸乙酯提取物对K562细胞膜的损伤效应 91
Hoechst 33342和5μg/mL PI,37℃避光染色15
min,然后在荧光显微镜下观察、拍照。
1.2.7 数据分析 实验结果均表示为平均值±标
准差,利用SPSS软件对实验数据进行统计学分析,
采用单因素方差分析进行显著性检验,多重比较采
用LSD法。
2 结果与分析
2.1 PC-EEF对多种肿瘤细胞的细胞毒效应
图1为 MTT检测PC-EEF对多种肿瘤细胞毒作
用的实验结果,以48h的IC50值表征。从图中可以看
出,PC-EEF可以选择性地杀伤多种肿瘤细胞,其中以
K562细胞最为敏感,其IC50值为8.507±0.05μg/mL,
因此选择K562细胞用于后续实验研究。
图1 PC-EEF对多种肿瘤细胞的细胞毒效应
Fig.1 Cytotoxicity effect of PC-EEF on various cancer cels.
注:相同作用条件下,不同细胞系间相比**P<
0.01;n=4。
为进一步研究PC-EEF对K562细胞的损伤效
应,用台盼蓝拒染实验检测了PC-EEF处理24、48
和72h后K562细胞存活力的变化。从图2可以看
出,PC-EEF抑制K562细胞存活依赖于PC-EEF浓
度及作用时间。
2.2 相差显微镜观察K562细胞形态
相差显微镜观察不同剂量PC-EEF处理 K562
细胞24h后细胞形态的变化情况,从图3可以看
出,对照组细胞大多数呈圆形或椭圆形,胞质分布均
匀;低剂量处理组与对照组细胞相比,差异不明显;
12μg/mL PC-EEF处理后,细胞出现明显地形变,
且随着孵育时间的延长,膜损伤效应也随之增强。
当剂量增加到18μg/mL后,损伤效应更为显著。
此外,PC-EEF处理后,细胞数目也出现时间和剂量
依赖性的减少。
图2 PC-EEF对K562细胞存活力的影响
Fig.2 Cytotoxicity effect of PC-EEF on K562cels
注:相同作用时间下,与对照组相比**P<0.01;
n=6。
图3 PC-EEF对K562细胞形态的影响
Fig.3 Effects of PC-EEF on the K562cel morphology
2.3 PC-EEF诱导K562细胞膜完整性下降
不同剂量PC-EEF与 K562细胞共孵育24h
后,采用FDA-PI双染检测细胞膜完整性。从图4
可以看出PC-EEF以剂量依赖的方式诱导K562膜
完整性下降。与对照组(2.45%±0.02%)相比,6
μg/mL PC-EEF处理组与对照组细胞相比,无显著
性差异(2.20%±0.02%)。当PC-EEF剂量达到
12和18μg/mL时,膜损伤细胞所占比例分别为
24.30%±0.18%和75.75%±0.53%。
图4 PC-EEF对K562细胞膜完整性的影响
Fig.4 Effect of PC-EEF on the cel membrane integrity of K562cels
92 陕西师范大学学报(自然科学版) 第44卷
2.4 PC-EEF诱导K562细胞膜去极化
不同剂量PC-EEF处理24h后,K562细胞膜呈现
剂量依赖性的膜去极化现象。从图5可以看出,与对
照组(6.53%±0.05%)相比,随着药物剂量的升高(6~
18μg/mL),膜去极化细胞所占百分比增加到22.37%
±0.18%、31.53%±0.26%和40.38%±0.33%。
图5 PC-EEF对K562细胞膜电位的影响
Fig.5 Effect of PC-EEF on the cel membrane integrity of K562cels
2.5 PC-EEF诱导K562细胞死亡
为进一步探讨 PC-EEF对 K562细胞的损
伤效应,采用 Hoechst 33342-PI双染实验研究
细胞死亡的发生。从图6可以看出,对照组和
低剂量处理组细胞发出微弱的 Hoechst 33342
蓝色荧光,基本无 PI红色荧光。当 PC-EEF剂
量增加到12μg/mL时,部分细胞出现核凝集现
象,表现为核亮染,个别细胞出现红色荧光。当
PC-EEF浓度增加到18μg/mL时,细胞同时表
现出 Hoechst 33342和 PI亮染现象,说明 PC-
EEF对 K562细胞杀伤作用随 PC-EEF浓度增
加而进一步加强。
图6 PC-EEF处理24h后诱导K562细胞死亡的发生
Fig.6 PC-EEF-induced death of K562cel after 24hadministration
3 讨论
大金发藓作为典型的药用苔藓植物,被历代药
典所收录。近代研究表明大金发藓含有多种生物活
性物质,具有良好的抗癌功效[3,5-7],且其乙酸乙酯
组分抗癌活性最为显著,但其抗癌的生物学机制仍
不清楚。因此,本研究以大金发藓乙酸乙酯组分
(PC-EEF)为实验材料,研究其抗癌活性并探讨其
抗癌的作用机制。
研究发现,PC-EEF能显著地杀伤多种肿瘤细
胞,表现出抗癌的广谱性,其中对白血病K562细胞
最为明显。进一步的研究结果显示PC-EEF能以时
间和剂量依赖地方式诱导 K562细胞存活力下降。
同时,相差显微镜观察到 K562细胞在PC-EEF处
理后细胞形态发生明显改变、细胞数量减少。
细胞膜作为细胞与外界发生物质交换的重要场
所,其在抵御外界刺激防止细胞损伤方面发挥重要
的作用;同时,细胞膜也是药物杀伤肿瘤细胞的关键
靶点之一[12]。细胞膜的完整性是细胞执行正常功
能的基础,药物的细胞毒效应与膜结构的改变密切
相关[13]。研究中利用FDA-PI双染实验检测了PC-
EEF处理后细胞膜的完整性,结果证明随着 PC-
EEF浓度的增加,K562细胞膜完整性逐渐下降,其
变化趋势与台盼蓝拒染结果一致。
细胞膜电位的维持依赖于膜的完整性,任何膜
分子结构的改变都会影响细胞膜电位,进而调节细
第5期 郭玲 等:大金发藓乙酸乙酯提取物对K562细胞膜的损伤效应 93
胞内相关蛋白分子表达变化,影响细胞功能的发挥。
细胞膜电位的扰乱也是诱发细胞死亡的重要信号之
一[14]。因此,研究应用DiBAC4(3)染色结合流式细
胞仪评估了PC-EEF作用于K562细胞后细胞膜电
位水平变化。结果发现,PC-EEF能够显著增强胞
内DiBAC4(3)荧光强度,且随着药物浓度的增加,
细胞膜去极化水平有所提高,表明 K562细胞膜电
位发生药物剂量依赖的去极化。
细胞膜系统的损伤会引起膜去极化、扰乱膜脂
对称性、诱导膜上酶活性的抑制以及质膜完整性的
破坏[15],这些细胞功能的紊乱最终可能会引起细胞
凋亡的发生[16]。本研究的 Hoechst 33342-PI双染
实验也证实了PC-EEF处理可以引起K562细胞发
生凋亡,但其具体的分子生物学机制还有待进一步
研究。
4 结论
PC-EEF对肿瘤细胞杀伤作用具有广谱性,且
对白血病细胞杀伤作用最为明显。PC-EEF通过诱
导K562细胞发生显著地细胞形态学变化、膜完整
性下降及膜去极化等膜损伤效应从而杀伤肿瘤细
胞,提示细胞膜可能是PC-EEF作用 K562细胞的
主要靶点之一,这也为大金发藓抗肿瘤作用机制研
究提供了有价值的实验数据。
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〔责任编辑 王 勇〕