光動力療法對表達人乳頭瘤病毒16 E7蛋白的HaCaT細胞株增殖和凋亡的影響

繆飛 王秀麗 呂婷 石磊 張玲琳 王宏偉

光動力療法對表達人乳頭瘤病毒16 E7蛋白的HaCaT細胞株增殖和凋亡的影響

繆飛 王秀麗 呂婷 石磊 張玲琳 王宏偉

目的 探討氨基酮戊酸光動力療法（ALA-PDT）對表達人乳頭瘤病毒16 E7蛋白的HaCaT細胞株（簡稱HaCaT/HPV16 E7）增殖和凋亡的影響。方法 HaCaT/HPV16 E7細胞株分為4組，即空白組、單純光敏劑組、單純照射組（12 J/cm2）、不同光劑量（4、8、12 J/cm2）ALA-PDT組，細胞與氨基酮戊酸（ALA）共孵育5 h，采用波長630 nm、功率30 mW/cm2紅光照射，CCK8法檢測細胞24 h后存活率，流式細胞儀檢測細胞3 h的凋亡率，顯微鏡觀察細胞形態。結果 空白組、單純光敏劑組、單純照射組（12 J/cm2）、不同光劑量（4、8、12 J/cm2）ALA-PDT照射細胞24 h，細胞生長存活率分別為99.15%±0.64%、98.13%±0.83%、96.85%±1.37%、68.98%± 1.03%、46.03%±2.96%、23.57%±3.83%，后3組ALA-PDT組與其他3組比較，差異有統計學意義（均P＜0.05）。隨著光劑量升高，細胞凋亡逐漸增加，細胞形態發生明顯改變，細胞皺縮。結論 ALA光動力抑制HPV感染細胞增殖并促進細胞發生凋亡，在一定光劑量范圍內，呈劑量依賴性。

氨基酮戊酸；光化學療法；細胞增殖；細胞凋亡；α乳頭狀瘤病毒屬；人乳頭瘤病毒16 E7蛋白

氨基酮戊酸光動力療法（aminolaevulinic acidphotodynamic therapy，ALA-PDT）已成功治療尖銳濕疣和宮頸高危人乳頭瘤病毒（HPV）感染，并顯示出其特有的優越性［1-2］。但其破壞HPV感染細胞的機制及細胞內作用的靶點尚未完全闡明。由于HPV種屬的特異性，目前尚缺乏HPV動物模型，體外亦無法培養。因此，有關HPV的研究就聚焦在HPV某一基因轉染到HaCaT細胞中［3-4］。我們前期已建立表達人乳頭瘤病毒16 E7蛋白的HaCaT細胞株（簡稱HaCaT/HPV16 E7）［5］，本實驗以HaCaT/HPV16 E7細胞株作為HPV感染細胞的模型，在細胞學水平分析ALA-PDT對HPV感染細胞增殖和凋亡的影響。

材料和方法

一、材料與儀器

HaCaT/HPV16 E7細胞株均為本院中心實驗室保存。DMEM培養基、geneticin?（G418，美國Gibco公司），CCK8試劑盒、Annexin V-FITC凋亡檢測試劑盒（美國Invitrogen公司），ALA粉劑（上海復旦張江生物醫藥股份有限公司）。LED實驗光源由荷蘭Philips公司為本實驗特別搭建，波長630 nm，輻射計測得實際輸出功率為30 mW/cm2；熒光共聚焦顯微鏡（日本Olympus公司）；流式細胞儀（型號FACSAria，美國BD公司）由上海復旦大學公共衛生臨床中心實驗室提供。

二、實驗方法

1.細胞培養：HaCaT/HPV16 E7細胞置于含10%胎牛血清、青霉素（100 U/ml）、鏈霉素（100 μg/ml）、G418（終濃度為0.5 g/L）的DMEM培養基中培養。HaCaT/HPV16 E7細胞生長至90%融合時，用含0.02%EDTA的0.25%胰酶消化培養細胞，制備單一細胞懸液，采用計數板計數法，以5×103個細胞/孔接種于96孔板中，每孔體積200 μl，設3個復孔。

2.分組處理：上述培養好的HaCaT/HPV16 E7細胞分為4組，即空白組、單純光敏劑組、單純照射組（12 J/cm2）、不同光劑量（4、8、12 J/cm2）ALA-PDT組。①空白組：細胞未做任何處理；②單純光敏劑組：細胞培養24 h后，吸除原培養基，加入終濃度為1 mmol/L ALA的培養基后，用錫紙包裹96孔板繼續培養；③單純照射組：細胞照射前吸出培養液，用PBS液沖洗2遍；96孔板用自制遮光罩保護，在未接種細胞的孔內加入微孔過濾后的墨汁以避免光衍射；揭開需要光處理的細胞孔，用30 mW/cm2功率密度的630 nm LED紅光照射，照射距離為1 cm，照射劑量12 J/cm2；④ALA-PDT組：細胞培養24 h后，吸除原培養基，加入終濃度為1 mmol/L ALA的培養基后，用錫紙包裹96孔板；避光培養5 h后，吸出培養液，用PBS液沖洗2遍；其他處理及照射方法同單純照射組；經預實驗并參考相關文獻［6］，設定照射能量分別為4、8、12 J/cm2。照射完畢后處理同單純照射組。

3.CCK8法檢測細胞增殖：上述細胞處理24 h后加入10 μl CCK8溶液，培養2 h后終止，用酶聯免疫檢測儀于波長450 nm處測定吸光度（A值）。細胞存活率（%）=（處理組A值/對照組A值）× 100%。

4.流式細胞儀檢測細胞凋亡：采用Annexin V＋碘化丙錠（PI）雙染色法，收集上述處理3 h后的細胞約5萬～10萬個，加入195 μl結合緩沖液重懸，離心，棄上清液，加入5 μl Annexin V-FITC，室溫避光孵育10 min，再次離心棄上清液，加入190 μl結合緩沖液重懸細胞，加入10 μl PI染色液，混勻，冰浴避光放置5 min，隨即進行流式細胞儀檢測，Annexin V-FITC為綠色熒光，PI為紅色熒光。流式細胞儀檢測FITC時使用FL-4通道，用遠紅外通道檢測PI熒光。早期凋亡細胞為Annexin V（＋）/PI（-），Annexin V-FITC和PI雙陽性的為晚期凋亡細胞或死亡細胞，Annexin V-FITC（-）和PI（＋）為死亡細胞［7-8］。用CellQuest軟件分析。實驗重復3次。

5.觀察細胞密度與細胞形態：ALA-PDT處理細胞后3 h，立即在共聚焦顯微鏡下觀察各組細胞一般形態學變化。ALA-PDT處理細胞后24 h，倒置相差顯微鏡觀察細胞生長密度。

三、統計學處理

結果

一、細胞增殖情況

空白組、單純光敏劑組、單純照射組（12 J/cm2）、不同光劑量（4、8、12 J/cm2）ALA-PDT組處理24 h后，細胞生長存活率分別為 99.15%±0.64%、98.13%±0.83%、96.85%±1.37%、68.98%±1.03%、46.03%±2.96%、23.57%±3.83%。單因素方差分析顯示，6組間差異有統計學意義（F=942.667，P＜0.001）。4、8、12 J/cm2ALT-PDT組分別與空白組、單純光敏劑組、單純照射組比較，ALT-PDT 3組的細胞存活率均明顯降低（均P＜0.001），且隨著ALA-PDT組照光劑量的增加，細胞存活率降低（單因素方差分析，均P＜0.001）。此外，空白組、單純光敏劑組、單純照射組間比較，差異無統計學意義（P＞0.05）。

二、細胞凋亡情況

流式細胞儀檢測ALA-PDT處理HaCaT/HPV16 E7細胞3 h后的細胞凋亡及死亡百分比，結果顯示，單純ALA處理后，23.90%±1.85%的HaCaT/ HPV16 E7細胞死亡。隨著照射劑量（4、8、12 J/cm2）的增加，細胞凋亡和死亡的比例明顯增加（分別為36.77%±2.66%、86.13%±5.37%、86.87%±3.20%），4、8、12 J/cm2ALT-PDT組分別與單純光敏劑組相比，細胞死亡比例均明顯增高（P值分別 ＜0.01，＜0.001、＜0.001）；見圖1。此外，單純光敏劑組和單純照射組（22.9%±2.46%）分別與空白對照組（20.8%±1.19%）比較，細胞凋亡和死亡差異無統計學意義（均P＞0.05）。

圖1 流式細胞儀檢測不同照光劑量（4、8、12 J/cm2）光動力對HaCaT/HPV16 E7細胞照射后3 h凋亡和死亡情況 隨著照光劑量的增加，HaCaT/HPV16 E7細胞凋亡和死亡的比例明顯增加

三、倒置相差顯微鏡檢測結果

成熟的HaCaT/HPV16 E7細胞株貼壁良好，細胞飽滿，胞質豐富、均勻。隨著光動力劑量增加細胞生長密度逐漸降低，細胞出現空泡樣改變，結構模糊（圖2）。

圖2 倒置相差顯微鏡下觀察0、4、8、12 J/cm2光動力處理HaCaT/HPV16 E7細胞株24 h后細胞生長密度（×100） 隨著光動力劑量增加，細胞生長密度逐漸降低，細胞出現空泡樣改變，結構模糊

四、聚焦顯微鏡檢測結果

隨著光動力能量的增高，HaCaT/HPV16 E7細胞形態發生明顯改變，細胞皺縮，間隙增大，脫落細胞也逐漸增多（圖3）。

討論

近年來，ALA-PDT治療尋常疣、跖疣、尖銳濕疣等HPV相關疾病，療效好、復發率低，受到臨床醫生的青睞［7］。本研究結合前期實驗結果及文獻報道［8-9］，選用1 mmol/L的ALA濃度，孵育時間5 h。

磷脂酰絲氨酸正常位于細胞膜的內側，但在細胞凋亡的早期，磷脂酰絲氨酸可從細胞膜的內側翻轉到細胞膜的表面，暴露在細胞外環境中，為吞噬細胞提供可識別的信號［10］。Annexin V是一種相對分子質量為35 000～36 000的Ca2＋依賴性磷脂結合蛋白，能與磷脂酰絲氨酸高親和力特異性結合。PI是一種核酸染料，它不能透過完整的細胞膜，但對于凋亡中晚期的細胞和死細胞，PI能透過細胞膜使細胞核紅染。因此，Annexin V進行熒光素標記，以標記了的Annexin V作為熒光探針與PI匹配使用，就可以把凋亡早晚期的細胞以及死亡細胞區分開來。我們采用Annexin V/PI雙染法，通過流式細胞儀檢測不同劑量（0、4、8、12 J/cm2）ALA-PDT后3 h HaCaT/HPV16 E7細胞凋亡及死亡的比例，結果顯示，隨著光劑量的增加，細胞的凋亡和死亡明顯增加，呈一定的劑量依賴性。

本研究顯示，隨著光動力劑量的增加，HaCaT/ HPV16 E7細胞的增殖受到明顯抑制，亦呈劑量依賴性。在顯微鏡下，隨著PDT能量的增加，細胞密度逐漸降低，胞質內顆粒逐漸增多，顏色加深，細胞間隙增大，細胞出現空泡變性，細胞形態皺縮。研究結果提示，ALA-PDT可通過抑制HPV感染細胞增殖促進其凋亡，其具體凋亡途徑尚待進一步研究。

［1］Wang HW,Zhang LL,Miao F,et al.Treatment of HPV infectionassociated cervical condylomata acuminata with 5-aminolevulinic acid-mediated photodynamic therapy［J］.Photochem Photobiol, 2012,88（3）:565-569.

［2］Kostovic K,Pastar Z,Ceovic R,et al.Photodynamic therapy in dermatology:currenttreatmentsand implications［J］.Coll Antropol,2012,36（4）:1477-1481.

［3］Kabsch K,Alonso A.The human papillomavirus type 16 E5 protein impairs TRAIL-and FasL-mediated apoptosis in HaCaT cells by different mechanisms［J］.J Virol,2002,76（23）:12162-12172.

［4］Severino A,Abbruzzese C,Manente L,et al.Human papillomavirus-16 E7 interacts with Siva-1 and modulates apoptosis in HaCaT human immortalized keratinocytes［J］.J Cell Physiol,2007,212（1）:118-125.

［5］繆飛,王秀麗,王宏偉,等.穩定表達人乳頭瘤病毒16E7蛋白HaCaT細胞株的建立［J］.中華皮膚科雜志,2011,44（5）:310-313.

［6］Kawczyk-Krupka A,Czuba Z,Szliszka E,et al.The role of photosensitized macrophages in photodynamic therapy［J］.Oncol Rep,2011,26（1）:275-280.

［7］Darlenski R,Fluhr JW.Photodynamic therapy in dermatology:past, present,and future［J］.J Biomed Opt,2013,18（6）:061208.

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Effects of photodynamic therapy on the proliferation and apoptosis of human papillomavirus type 16 E7 proteinexpressing HaCaT cells

Miao Fei*,Wang Xiuli,Lyu Ting,Shi Lei,Zhang Linglin,Wang Hongwei.*Huadong Hospital Affiliated to Fudan University,Shanghai 200040,China
Corresponding author:Wang Hongwei,Email:hongweiwang2005@aliyun.com

ObjectiveTo explore the effects of aminolevulinic acid-based photodynamic therapy（ALA-PDT）on the proliferation and apoptosis of HaCaT cells stably expressing human papillomavirus type 16 E7 protein（HaCaT/ HPVl6 E7 cells）.MethodsCultured HaCaT/HPV16 E7 cells were divided into several groups:blank control group receiving no treatment,ALA group treated with ALA alone,irradiation group irradiated with 630-nm red laser（30 mW/cm2, 12 J/cm2）,ALA-PDT groups pretreated with ALA for 5 hours followed by 630-nm red laser radiation at 4,8,12 J/cm2respectively.CCK8 assay was performed to determine the survival rate of cells at 24 hours after PDT,and flow cytometry and confocal microscopy were conducted to detect cell apoptosis and observe cell morphology respectively at 3 hours.ResultsAt 24 hours,the survival rate of cells was 68.98%±1.03%,46.03%±2.96%and 23.57%±3.83%in the 4-, 8-and 12-J/cm2ALA-PDT groups respectively,significantly lower than that in the blank control group,ALA group and irradiation group（99.15%±0.64%,98.13% ±0.83%and 96.85%±1.37%respectively,allP＜0.05）.With the increase in radiation dose,cell apoptosis was accelerated with obvious morphological changes and shrinkage of cells in the ALA-PDT groups.ConclusionALA-PDT can inhibit the proliferation,and promote the apoptosis of HPV-infected HaCaT cells in a dose-dependent manner within a certain range of radiation dose.

Aminolevulinic acid;Photochemotherapy;Cell proliferation;Apoptosis;Alphapapillomavirus; HPV16 E7

10.3760/cma.j.issn.0412-4030.2015.10.005

國家自然科學基金（30972665）；上海市自然科學基金（08ZR1417400）；上海市衛生系統先進適宜技術推廣項目（2013SY007）；上海市衛生局科研課題計劃（20124034）；上海市級醫院臨床科研資源共享平臺項目（SHDC12007703）

200040上海，復旦大學附屬華東醫院（繆飛、呂婷、王宏偉）；上海市皮膚病醫院（王秀麗、石磊、張玲琳）

王宏偉，Email：hongweiwang2005@aliyun.com

2015-01-06）

（本文編輯：周良佳 顏艷）