全 文 :铁树提取物对人肺腺癌细胞凋亡的诱导及相关机制的初步研究
孔繁翠1 ,顾 昊 1 ,王鹤尧 1 ,郑文婕2
(1首都医科大学附属北京朝阳医院药事部 ,北京 100020;
2北京理工大学生命科学与技术学院 ,北京 100081)
[摘要 ] 目的:探讨中药铁树提取物(CvcasrevoluteThunbextracts, CTE)对人肺腺癌 A549细胞凋亡
的影响及其相关机制 。方法:应用四氮唑盐(MTT)法观察 CTE对 A549细胞增殖的影响 ,采用 Gimsa染
色和吖啶橙(AO)/溴化乙锭(EB)荧光染色观察细胞凋亡形态学变化;流式细胞术和琼脂糖凝胶电泳方
法检测 A549细胞凋亡 、细胞周期变化;逆转录 -聚合酶链反应 (RT-PCR)检测凋亡基因 Bcl-2 , Bax和
Caspase-3 mRNA水平表达的变化。结果:CTE可以抑制 A549细胞增殖 。经 CTE作用后 , A549细胞出现
明显的细胞凋亡形态学变化;细胞 DNA琼脂糖凝胶电泳呈现特征性的 DNA降解梯形条带;A549细胞被
阻滞在 G2 -M期 ,细胞凋亡率可达 34.37%。 CTE可抑制 A549细胞 Bcl-2和 Caspase-3mRNA的表达 ,促
进 BaxmRNA的表达 。结论:CTE能明显诱导 A549细胞凋亡 ,其机制之一可能是改变与凋亡相关基因
的表达 。
[关键词 ] 铁树提取物;细胞凋亡;A549细胞系
[中图分类号 ] R285.5;R286.91 [文献标识码 ] A [文章编号 ] 1003-3734(2008)08 -0667 -06
EfectofCvcasrevoluteThunbextractonapoptosis
ofA549 celsandthepossiblemechanism
KONGFan-cui1 , GUHao1 , WANGHe-yao1 , ZHENGWen-jie2
(1 DepartmentofPharmaceuticalManagement, BeijingChaoYangHospitalAfiliatedtoCapital
UniversityofMedicalSciences, Beijing100020, China;2 SchoolofLifeScienceandTechnology,
BeijingInstituteofTechnology, Beijing100081, China)
[ Abstract] Objective:ToinvestigatetheefectofCvcasrevoluteThunbextract(CTE)onapoptosisof
tumorcelline, A549 cels, andthepossiblemechanism.Methods:A549 celswereincubatedwithdiferentcon-
centrationsofCTE, andtheinhibitionofcelproliferationwasdeterminedbyMTTassay.TheCTE-inducedapopto-
siswasobservedbyGimsastaining, fluorescentstaining, flow-cytometry(FCM), andDNAagarosegelelectropho-
resis.ThemRNAexpressionofBcl-2, Baxandcaspase-3 wasdetectedbyRT-PCR.Results:CTEexhibitedanti-
proliferativeactivityindose-andtime-dependentmanners.AftertreatmentwithCTE, morphologicalexamination
showedtypicalapoptoticbodies.Agarosegelelectrophoresisdemonstratedacharacteristicladder-likepaternof
DNAfragmentation.FCMshowedsubdiploidpeaksbeforeG0 /G1 phase.ThecelsinG2 -Mphasewerearrestedand
theapoptosisratewas34.37%.CTEalsoup-regulatedBaxmRNAexpression;anddown-regulatedBcl-2 and
caspase-3 mRNAexpression.Conclusion:CTEinducesapoptosisofA549 cels, andthepossiblemechanismmay
beassociatedwiththechangeofapoptosis-relatedgeneexpressionincancercels.
[ Keywords] CvcasrevoluteThunbextracts;celularapoptosis;A549 tumorcelline
铁树 CvcasrevoluteThunb,又名苏铁 、凤尾蕉 ,裸
子植物 ,属苏铁科 、铁树属常绿乔木 ,古籍记载其性
味甘 、平 、涩 ,有小毒 [ 1, 2] 。我们收集的民间验方将
其水煎剂用于治疗多种肿瘤。经本室研究证明铁树
提取物(CvcasrevoluteThunbextracts, CTE)有体外抑
制肿瘤细胞增殖的作用。本研究旨在观察 CTE诱
导 A549细胞凋亡的作用 ,为进一步阐明铁树类药
物抗肿瘤机制提供依据 。
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材料与方法
实验材料
DMEM细胞培养基 、胎牛血清 、胰蛋白酶购自
GIBCO公司;吖啶橙(AO)、溴化乙锭(EB)、总 RNA
抽提试剂盒 、RT-PCR试剂盒 、DNA标记 marker、细
胞裂解液 、琼脂糖凝胶均购自华美生物工程公司 ,
Gimsa染液购于索莱宝公司 ,噻唑蓝(MTT)、碘化丙
啶(PropidiumIodide, PI)购自 Sigma公司。铁树药
材购自中国科学院昆明植物研究所 ,人肺腺癌细胞
株 A549由中国医学科学院肿瘤研究所惠赠 。
药物制备
将铁树药材用 95%乙醇提取后 ,减压浓缩 ,加
水混悬 ,而后用等量乙酸乙酯萃取 4次 ,在所得浸膏
中加入粗硅胶制成干法上柱样品。用 100 ~ 200目
的硅胶柱分离 ,氯仿 -甲醇(7∶3)梯度洗脱得 CTE,
4 ℃保存 ,使用时先用二甲亚砜(DMSO)溶解后再用
双蒸水稀释至所需浓度(DMSO<0.01%)。
细胞培养
人肺腺癌细胞株 A549用含 10%胎牛血清的
DMEM培养液 ,置于 37 ℃, 5% CO2饱和湿度培养
箱中常规培养 。对数生长期的 A549细胞消化为
1 ×105·mL-1的细胞悬液传代或接种于内含盖玻片
的六孔皿中 , CO2培养箱中培养 24 h,待细胞贴壁
后 ,各组分别加入终浓度为 0, 1, 0.5, 0.25, 0.125,
0.062 5g·L-1的 CTE,置 37℃和 5% CO2培养箱中
继续培养 5 d。
4 MTT法检测细胞增殖反应
离心收集 A549细胞 , PBS洗 2次。用含 10%
胎牛血清的 DMEM培养液将细胞稀释为 1 ×105·
mL-1的细胞悬液 ,接种于 96孔培养板中 ,每孔 180
μL,于 37 ℃和 5% CO2的培养箱中培养过夜。在培
养板孔中加入不同浓度的 CTE药液 20 μL,使终浓
度达到设计浓度 ,每个浓度设 3个平行孔 。培养3 ~
5 d后 ,加入 MTT20μL,继续培养 4h。取出培养板 ,
每孔加入 DMSO150μL,平板摇床摇匀 ,用酶联免疫
检测仪测定各孔在 570 nm处的吸收度(A570nm)值 ,
并以空白培养液调零 ,未加药孔作为阴性对照 ,加
药孔与阴性对照比较计算出抑制率 。生长抑制
率 /% =(1 -实验组平均吸收度值 /对照组平均吸
收度值)×100。
细胞形态学观察
5.1 Gimsa染色 A549细胞加药培养 5 d后 ,
PBS漂洗 , 甲醇-冰醋酸 (3∶1)固定液中固定
30 min。 Gimsa液染色 10 min后蒸馏水冲洗 ,晾干
后 OLMPUSSK21型倒置显微镜下观察细胞形态
变化。
5.2 AO/EB荧光染色 A549细胞加药培养 5 d
后 ,消化为 1 ×105·mL-1的 A549细胞悬液 。在 100
μL细胞悬液中加入 AO和 EB(100 mg·L-1)各 2
μL,混合后染色 5 min,滴片 ,荧光显微镜下观察细胞
形态变化 ,每张玻片 400 ×镜下观察 3个视野 ,每个
视野计数 200个细胞 ,分别计数正常活细胞(viable
non-apoptoticcel, VN)、早期凋亡细胞(viableapop-
toticcel, VA)、晚期凋亡细胞(non-viableapoptotic
cel, NVA)及非凋亡死亡细胞(non-viablenon-apop-
toticcel, NVN),取平均值并计算细胞凋亡率。细胞
凋亡率 /% =(VA+NVA)/ (VA+NVA+VN+
NVN)×100。
细胞周期分布和凋亡率的检测
A549细胞加药培养 5 d后 ,收集细胞 ,冷 PBS
洗 2次 ,冰 75%乙醇固定 ,碘化丙啶染色 ,用流式细
胞仪(美国 BD公司 FACSCalibur)及 Singlehisto-
gramstatistic分析软件 FCM检测细胞周期和晚期细
胞凋亡。
7 DNA琼脂糖凝胶电泳条带的分析
A549细胞加药培养 5 d后 ,收集各组细胞 ,离
心 , PBS洗涤后加入 50 μL细胞裂解液 ,混匀至清
亮 ,以等体积苯酚-氯仿(1∶1),苯酚-氯仿-异丙醇
(25∶24∶1)各抽提 1次 ,在抽提液中加入 1/10体积
的 3mol·L-1醋酸钠和 2倍体积的冷乙醇沉淀 DNA,
用 75%乙醇洗去残留的有机物 , TE溶解 DNA[ 4] 。
于 1.5%琼脂糖凝胶中进行电泳 ,用凝胶成像系统
观察 DNA条带 。
8 Bcl-2 , Bax和 Caspase-3 mRNA表达的分析
A549细胞加药培养 5 d后 ,收集细胞 ,然后利
用 RNA抽提试剂盒抽提总 RNA。 RT-PCR试剂盒
对总 RNA中 Bcl-2, Bax和 Caspase-3 mRNA进行
RT-PCR扩增 , 扩增条件为 37 ℃反转录 60 min,
95 ℃反应 5min灭活逆转录酶 , 95℃反应 30 s,退火
30 s, 72 ℃反应 50 s,循环 30次 ,最后 72 ℃反应
7 min使链延伸 ,退火温度因引物而异。扩增产物经
1.5%琼脂糖凝胶电泳 ,应用凝胶成像仪对电泳谱带
进行观察 ,图像分析软件分析各条带的表达强度进
行基因表达差异分析。样本均数采用 t检验比较
mRNA表达高峰时其条带强度值与空白对照组比较
是否有差异。
各引物序列及其扩增条件见表 1。
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表 1 Bcl-2, Bax和 Caspase-3引物序列
及其 PCR扩增条件
基因名称 引物序列 退火温度 /℃
产物长
度 /bp
Bcl-2[ 5] 5′-CTGGTGGACAACATCGCTCTG-3′ 65 228
5′-GGTCTGCTGACCTCACTTGTG-3′
Bax[ 5] 5′-GGCCCACCAGTCTGAGCAGA-3′ 63 456
5′-GCCACGTGGGCGTCCCAAAGT-3′
Caspase-3[ 4] 5′-GGTATTGAGACAGACAGTGG--3′ 62 288
5′-CATGGGATCTGTTTCTTTGC-3′
β-actin[ 6] 5′-CTTTGATGTCACGCACGATTTC-3′ 60 383
5′-GGGCCGCTCTAGGCACCAA-3′
数据处理和统计学分析
所有数据采用 SPSS11.5统计分析软件处理 ,
实验重复 3次 ,数据以 x±s表示 。计量资料多个
实验组均数与一个对照组比较用 t检验 。多个实
验组均数间比较采用方差分析 , 多均数之间两两
比较采用 Newman-keuls检验 ,以 α=0.05为检验
水准 。
结 果
1 CTE对 A549细胞增殖的影响
CTE作用于 A549细胞 3 ~ 5 d后表现出浓度依
赖性地抑制 A549细胞的增殖 ,结果见图 1。
图 1 CTE对 A549细胞增殖的抑制作用(0.062 5 ~
1 g·L-1 CTE作用 A549 3 ~ 5 d后的抑制率)
2 CTE作用 A549后细胞形态的改变
2.1 Gimsa染色 0.25, 0.125和 0.062 5 g·L-1的
CTE作用 A549细胞 5 d后 ,经 Gimsa染色可见细胞
发生了典型的凋亡细胞形态学改变 ,包括:细胞固
缩 ,胞膜起泡 ,核着色不均匀 ,核染色质聚集 ,核碎裂
成团状散布于胞浆 ,细胞连接疏松 ,凋亡小体形成
等 ,随着浓度增加形态学发生变化的细胞增加。 0.5
和 1 g·L-1浓度的 CTE作用后的细胞大部分肿胀 ,
胞膜碎裂 ,细胞器崩溃 ,染色质疏松 ,即坏死细胞较
凋亡细胞增多 。结果见图 2。
1为正常对照组;2为 0.062 5g·L-1CTE组;3为 0.25g·L-1CTE组;4为 1g·L-1CTE组
图 2 CTE作用于 A549细胞 5 d后 Gimsa染色结果(×200)
2.2 AO/EB荧光染色 AO/EB染色后镜下观察
A549细胞着色及染色质的形态 , VN:细胞核染色质
被 AO染成均一绿色 , 细胞核结构正常 ,核仁清楚
呈桔红色;VA:细胞核染色质着绿色或黄绿色 ,但着
色不均一 ,细胞核呈固缩状或碎片状 ,核仁不清 ,胞
质收缩呈黄绿色或桔黄色;NVA:核染色质被 EB染
成橙色或红色并呈固缩状或圆珠状 ,胞质收缩呈球
形;NVN:核染色质着橙色或橘红色但胞核结构正
常 。CTE作用 A549细胞 5d后 ,对照组仅见少量核
橙染的凋亡细胞 ,实验组随着浓度增加正常细胞减
少 ,凋亡细胞增多 。 0.125 g·L-1的 CTE作用后的
A549大多呈固缩的黄绿染的 VA, 0.5 g·L-1 CTE组
细胞多见橘红染核固缩的 NVA, 1 g·L-1 CTE组
NVN数量超过凋亡细胞 ,结果见图 3。细胞计数显
示 , CTE诱导人肺腺癌 A549细胞凋亡 , 在 0.062
5, 0.125和 0.25 g·L-1药物浓度下凋亡率呈浓度依
赖关系 ,但 0.5和 1g·L-1 CTE处理 CTE后 , NVN增
多 ,凋亡率下降 ,结果见表 2。
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图 3 CTE作用于 A549细胞 5d后 AO/EB染色结果(×400)
表 2 CTE对 A549细胞凋亡的影响
浓度 /g·L-1 细胞计数VN NVN VA NVA 凋亡率 /%
0 181.67±7.09 10.00±2.50 5.67 ±3.06 2.67±1.53 7.84
0.062 5 165.00±8.89a 20.00±2.65a 7.33 ±3.51 7.67±6.81a 13.67
0.125 142.33±11.50a 26.33±4.51b 17.33 ±2.08a 14.00±5.00b 21.83
0.25 94.33±9.02b 30.00±2.65b 42.00 ±7.94b 33.67±1.15b 36.00
0.5 59.3±4.51b 16.00±2.65 41.33 ±6.11b 83.33±4.62b 28.67
1 63.33±5.51b 13.00±9.64 34.00 ±6.08b 89.67±7.57b 23.50
与对照组(0g·L-1)比较 , a:P<0.05 , b:P<0.01;上述细胞计数共计数 3次 ,每次共计 200个细胞 ,数值用 x±s表示
3 CTE对 A549细胞周期分布和细胞凋亡的影响
3.1 CTE对 A549细胞周期的影响 经 CTE处
理 5 d的 A549细胞的细胞周期发生明显变化 ,
G2 -M期细胞明显增多 , G0 -G1期细胞比率显著下
降 , 多数细胞阻滞在 G2 -M期 。结果见图 4和
表 3。
对照组 CTE0.25g·L-1处理组 CTE1g·L-1处理组
图 4 CTE作用前后 A549细胞的流式细胞周期分析
表 3 CTE对 A549细胞凋亡率和细胞周期的影响 n=3, x±s
浓度 /g·L-1 细胞周期 /%G0 /G1 S G2 /M 凋亡率 /%
0 53.36±1.55 11.98 ±2.50 34.66±1.80 5.70±0.47
0.062 5 55.41±1.25 13.71 ±1.29 32.89±1.30 9.04±0.28a
0.125 51.4±1.72a 11.59 ±1.35 37.2±0.59b 16.85±1.34b
0.25 50.7±1.45b 11.14 ±2.08 38.7±0.63b 34.37±1.10b
0.5 46.8±1.40b 10.9 ±1.49 42.3±0.48b 21.69±3.04b
1 42.8±2.10b 9.7 ±2.44 47.5±0.44b 15.71±15.56b
与对照组(0g·L-1)比较 , a:P<0.05 , b:P<0.01
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3.2 CTE对 A549细胞凋亡的影响 CTE处理 5d
的 A549细胞 ,经流式细胞仪分析 ,随 CTE浓度的增
加细胞凋亡率明显上升 ,呈浓度依赖关系。结果见
表 3和图 5。
对照组 CTE0.25g·L-1处理组 CTE1g·L-1处理组
图 5 CTE作用前后 A549细胞的流式细胞凋亡分析
0.062 5, 0.125和 0.25 g·L-1 CTE作用后的
A549细胞 DNA琼脂糖凝胶电泳显示有细胞凋亡时
DNA规律降解而形成的梯形条带 , 0.5和 1 g·L-1
CTE呈坏死细胞特征的片状涂抹样 ,空白对照组为
一条亮的总 DNA条带 ,见图 6,提示 0.062 5, 0.125
和 0.25g·L-1 CTE可以引起 A549细胞凋亡 ,而 0.5
和 1 g·L-1 CTE则促进了 A549细胞的死亡。
M为 Marker(100bpDNALadder);1为不加药的对照组;
2 ~ 4为 0.062 5, 0.125和 0.25g·L-1 CTE组;
5和 6为 0.5和 1g·L-1 CTE组
图 6 CTE处理 A549细胞 5d后琼脂糖凝胶
电泳显示梯状降解条带
4 CTE对 A549细胞 Bcl-2, Bax和 Caspase-3表达
的影响
CTE处理 A549细胞 5 d后 Bcl-2 mRNA表达减
弱 , Bax和 Caspase-3 mRNA表达增强 ,结果见图 7。
图像分析软件分析处理组与对照组条带强度 , CTE
作用 A549细胞后细胞中的 Bcl-2基因表达水平较
对照组细胞减弱 , 而 Bax和 Caspase-3基因表达水
平较对照组细胞增强 ,结果见表 4。
1为不加药的对照组;2 ~ 6为 0.062 5, 0.125,
0.25, 0.5和 1g·L-1 CTE组
图 7 CTE处理 A549细胞 5d后 Bcl-2, Bax和
Caspase-3 RT-PCR电泳图
表 4 CTE处理 A549细胞 5 d后 Bcl-2, Bax和
Caspase-3 mRNA表达水平变化
浓度 /g·L-1 强度校正值 /(Actin)Caspase-3 Bax Bcl-2
0 0.62 0.47 0.68
0.062 5 0.81 0.79 0.66
0.125 1.00 0.93 0.62
0.25 1.20 1.04 0.28
0.5 1.38 1.32 0.15
1 2.09 1.08 0.11
讨 论
本实验中 MTT测定结果证实了 CTE对 A549
细胞有明显的生长抑制作用 。细胞凋亡是由基因控
制的自我消亡过程 ,诱导细胞凋亡是一些化疗药物
作用的重要机制 [ 3] ,因此初步探讨 CTE诱导肿瘤细
胞凋亡发生和调节的机制 ,对进一步研究具有重要
的意义。 CTE可诱导细胞发生较典型的凋亡形态学
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变化 ,如胞体缩小 ,胞质浓缩 ,胞核向外呈锐角突起 ,
染色质浓缩 ,密度增高 ,边集于核膜下或呈新月形 ,
核碎裂以及凋亡小体形成等。无论是正常细胞还是
肿瘤细胞的增殖都依赖于细胞周期的正常运行 。我
们运用流式细胞仪检测了 CTE作用后 A549细胞的
细胞周期及晚期凋亡 ,结果提示 CTE能明显抑制
A549细胞的周期转换 , 使 G2 /M期细胞明显增多 。
G2 /M期阻滞使肿瘤细胞停止在 G2期限制点进行
自身修复 ,当药物作用过的肿瘤细胞在一定时间内
无法克服 G2 /M期阻滞时 ,就会发生 G2 /M期细胞
凋亡。同时流式细胞仪检测结果显示 , CTE作用后
的 A549细胞出现凋亡峰 ,细胞凋亡率与浓度相关 。
0.062 5, 0.125和 0.25 g·L-1 CTE作用后的 A549
细胞 DNA琼脂糖电泳可出现典型凋亡 DNA条
带 [ 7 ~ 9] 。总之 , 上结果均表明 CTE可以明显诱导
A549细胞发生凋亡 ,并具有浓度依赖性。
通过 RT-PCR法分别检测 Caspase-3 mRNA,
Bcl-2 mRNA和 BaxmRNA的表达 ,结果显示 CTE作
用 A549后 , A549细胞的 Bcl-2 mRNA表达减弱 ,而
BaxmRNA和 caspase-3 mRNA表达增加。已知
Caspase家族在细胞凋亡的过程中起到了十分关键
的作用 ,该家族是天冬氨酸的特异性蛋白酶 ,被认为
在凋亡通路中起到执行因子的作用。无论是以膜受
体 TNFR家族死亡为特征的受体介导的细胞凋亡 ,
还是线粒体通路的细胞凋亡 ,最终都会汇集于活化
Caspase-3这一环节上来 ,并且通过活化 Caspase-3
而最终诱发凋亡。 Bcl-2蛋白家族也是调节细胞凋
亡的关键因子之一 , 该家族蛋白在线粒体参与的
Caspase系统的激活中起到重要的调控作用。 Bcl-2
家族包括众多的成员 ,其中抗凋亡蛋白 Bcl-2可以
与线粒体膜结合 ,阻止细胞色素 Caspase的释放 ,
Bcl-2低表达与诱导细胞凋亡作用相关。 Bax基因
产物是一种与 Bcl-2同源的相关蛋白 ,主要作用是
加速细胞凋亡。它能拮抗 Bcl-2的生物学活性 ,与
Bcl-2一起调节细胞凋亡 。另外 ,激活的 Caspase-3
可以酶解 Bcl-2生成类 Bax物质 ,导致 Bcl-2水平降
低 、Bax水平增高 ,反过来促进 Caspase-3的激活 。
在本实验中 , CTE作用 A549细胞后 , Bcl-2 mRNA表
达减弱 , Bax和 Caspase-3 mRNA表达增强。 CTE是
否是通过抑制 Bcl-2基因表达 ,促进 Bax基因表达 ,
激活细胞凋亡的线粒体途径 ,促进 Caspase-3基因的
表达来作用 ,值得进一步的实验来研究 。
[作者简介 ] 孔繁翠(1984 -), 女 , 硕士研究生。联系电
话:(010)85231786, E-mail:kfc 2009@163.com。
[通讯作者 ] 郑文婕(1972-), 女 ,理学博士 , 讲师 , 主要从
事细胞衰老和肿瘤分子机制研究。 联系电话:(010)
68914495, E-mail:flt3@sina.com。
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编辑:朱振家 /接受日期:2008-02 -03
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ChineseJournalofNewDrugs2008, Vol.17 No.8 中国新药杂志 2008年第 17卷第 8期