王贊永,周 勇,馬海昊,劉 佳,朱 航,鄧希樂,譚輝華,周小毛
(1.廣西大學農學院,廣西 南寧 530004;2.湖南省農業生物技術研究中心,湖南 長沙 410125)
丙磺舒在阿維菌素作用棉鈴蟲細胞中的增效機制研究
王贊永1,周 勇2,馬海昊2,劉 佳2,朱 航2,鄧希樂2,譚輝華1,周小毛2
(1.廣西大學農學院,廣西 南寧 530004;2.湖南省農業生物技術研究中心,湖南 長沙 410125)
丙磺舒是ABCC轉運蛋白抑制劑,用系列濃度阿維菌素和200 μmol/L丙磺舒的食物飼喂棉鈴蟲,檢測中腸組織中阿維菌素的含量。結果表明:與單獨使用阿維菌素相比,混合使用丙磺舒后阿維菌素在中腸中的平均駐留時間(MRT)增加了13%,消除半衰期(t1/2z)增加了27%,藥物峰值提高了2.8倍。細胞活力測定發現,亞致死劑量阿維菌素與400 μmol/L丙磺舒混用后,棉鈴蟲細胞的活力降低了67.1%。表明抑制ABCC轉運蛋白可以提高阿維菌素在棉鈴蟲中腸的駐留能力,提高藥物對棉鈴蟲細胞的毒力。
液相色譜-三重四極桿串聯質譜(HPLC-MS);棉鈴蟲;ABC轉運蛋白;阿維菌素;丙磺舒
ABC轉運蛋白(ATP—binding cassette transporters)是一個包括A-H 8個亞家族的轉運蛋白超家族,可以利用水解ATP的能量將藥物泵出細胞外,降低細胞內藥物濃度,其功能和表達的改變參與細胞多藥耐藥的形成[1-2]。醫學研究發現,ABC轉運蛋白對化療藥物的排出作用是腫瘤細胞產生耐藥性的重要原因[3],在病原微生物耐藥機制研究中發現,微生物可以通過激活細胞內ABC轉運蛋白,將藥物運出細胞,降低菌體內抗生素濃度[4-5]。近年的研究表明,ABC轉運蛋白基因表達量的提高也和害蟲對殺蟲劑抗藥性增強相關[6]。有報道表明,昆蟲對來自9種不同化學類別的27種殺蟲劑抗性與ABC轉運蛋白的運輸作用有關[7],其中涉及到的ABC轉運蛋白家族集中在包括ABCC、ABCB和ABCG等亞家族[9-10]。
ABC轉運蛋白C家族也被稱為多藥耐藥相關蛋白(Multidrug resistance-associated protein,MRP),在細胞排出胞內有毒物質過程中發揮重要功能。丙磺舒(probenecid)學名對-[(二丙氨基)磺酰基]苯甲酸,是一種MRP的競爭性抑制劑,對MPR1-5的藥物外排作用均有不同程度的抑制作用[11]。與抗腫瘤藥物聯用時,能通過抑制腫瘤細胞的外排作用而提高藥效[12],臨床上將丙磺舒和抗生素聯合使用可以延長抗生素的作用時間[13-14]。
棉鈴蟲是一種世界范圍內的主要害蟲,長期以來化學農藥的廣泛使用使棉鈴蟲的抗藥性增強。現有研究認為,昆蟲體內存在多種解毒代謝酶系,如酯酶,多功能氧化酶和谷胱甘肽-S-轉移酶等,能夠有效的降解進入細胞內的藥物分子;另外昆蟲體內靶標蛋白的突變和表皮穿透能力的改變也是害蟲產生抗藥性的主要機制[1,15]。最近的研究表明棉鈴蟲抗藥性的增強與體內ABC轉運蛋白C家族的表達量上調有關[16],推測ABCC轉運蛋白通過加速排出體內有毒物質增強蟲體對農藥的耐受性,但目前還缺少直接證據證明ABCC轉運蛋白參與該過程。筆者擬通過混合使用ABCC轉運蛋白抑制劑丙磺舒和阿維菌素,質譜檢測抑制ABCC轉運蛋白功能后,研究阿維菌素在中腸組織的滯留情況及對棉鈴蟲細胞的毒力變化,明確ABCC轉運蛋白參與昆蟲抗藥性的作用機制。
1.1 主要儀器與試劑
TSQ Endura高效液相色譜-三重四級桿質譜聯用儀(美國賽默飛世爾),JY96-MIN超聲細胞破碎儀(寧波新芝),Pico17冷凍高速離心機(美國賽默飛世爾),PQX-350H人工氣候箱(中儀國科)Labonova Ultra超純水系統(美國Think-lab)。BHC-1300生物安全柜(蘇州博萊爾),HPS160生化培養箱(北京東聯哈爾),DSY-L140倒置顯微鏡(北京長恒榮創)。
阿維菌素標準品(100 mg/L,北京壇墨質檢)阿維菌素原藥(96.2%,輝豐農化),丙磺舒原藥(99.0%,濟南凱恩醫藥)丙酮、乙腈(色譜純天津大茂),氯化鈉,氯化鉀磷酸二氫鉀磷酸氫二鈉,二甲基亞砜(分析純,國藥集團),甲醇,甲酸(色譜純德國默克Merck),MTT(Solarbio)。
1.2 供試昆蟲及細胞
供試棉鈴蟲Helicoverpa armigera(Hübner)由中國科學院動物研究所提供,一直使用人工飼料培養,對各種農藥敏感。飼養條件:光周期為14 h∶10 h(光照∶黑暗),溫度(25±2)℃,相對濕度70%。室內人工飼養采用梁革梅[17]所述方法。
棉鈴蟲胚胎細胞系QB-Ha-E5[18]由青島農業大學李國勛教授惠贈,該細胞在27℃、含5% FBS的Gibco SF-900II SFM培養基(美國賽默飛世爾)中培養和傳代。
1.3 給藥及取樣方法
按照農藥室內生測標準——人工飼料混藥法進行[19],首先將阿維菌素和丙磺舒原藥用丙酮溶解,分別配制成1 g/L和10 mmol/L的母液,使用時按比例均勻混入制作好的人工飼料中,終濃度為阿維菌素30 mg/L,丙磺舒200 μmol/L,丙酮1%。對照組食物只加入阿維菌素。
混藥飼料切成合適大小放入24孔養蟲盒中,放入經過饑餓處理8 h的5齡1 d棉鈴蟲幼蟲。自由取食1 h后更換至潔凈養蟲盒,用正常人工飼料繼續飼喂。每組80頭蟲,正常進食1 h后開始取樣,每間隔1 h取樣一次,共設10個取樣時間點每次取6頭棉鈴蟲,解剖取出中腸,去除腸道食物殘留后,稱重,-20℃保存,實驗重復3次。
1.4 樣品前處理
中腸組織解凍后加入1 mLPBS緩沖液(pH值7.4),于冰水浴中超聲破碎;之后取600 μL裂解液,加入1 mL乙腈,0.2 g氯化鈉,漩渦震蕩1 min,12 000 r/min離心10 min,上清液過0.22 μm微孔濾膜用于HPLC-MS檢測。
1.5 色譜條件
色譜柱:Hypersil GOLD C18 (2.1×100 mm 1.9Micron);柱溫:35℃;流速:0.3 mL/min;進樣量:10 μL;流動相:甲醇-水(含0.1%甲酸)。梯度洗脫程序:0~0.78 min,20%~95%甲醇;0.78~3.1 min,95%甲醇;3.1~4.0 min,95%~20%甲醇。
1.6 質譜條件
ESI離子源,正離子掃描模式,掃描范圍m/z500~1 000;離子噴霧電壓3 500 V;霧化氣為N2,壓力40 psi;離子傳輸管溫度300℃,噴針溫度300℃;檢測方式為MRM模式,定性檢測離子m/z 896.4/608.1(碰撞電壓為46 V,保留時間為3.72 s),定量檢測離子m/z 896.4/752.1(碰撞電壓為41 V,保留時間為3.72 s);射頻透鏡電壓為298 V。
質譜數據由TSQ Endura工作站收集并計算出峰面積,計算出樣品濃度。按下面公式換算成中腸中阿維菌素含量Cn(μg/g)。

其中C為質譜樣品測量濃度,v為萃取液體積,M為中腸樣品質量。繪制中腸中阿維菌素含量的濃度-時間曲線,通過DAS 2.0軟件對獲得的數據進行擬合分析,以統計矩法計算藥物動力學參數。
1.7 細胞活力檢測
采用MTT細胞染色法,測定阿維菌素對棉鈴蟲細胞的毒力。分別配制含1、5、10、20、40和60 mg/L阿維菌素的昆蟲細胞培養基。處理組均加入終濃度400 μmol/L的丙磺舒,對照組加入等體積溶劑。將對數期棉鈴蟲細胞以1×104個/孔的密度鋪96孔板,27℃培養24 h之后將原培養基吸出替換為不同濃度含藥物培養基,每個濃度設6個重復。繼續培養48 h進行細胞活力測定,測定方法和數據處理參考周青春[20]研究進行。
2.1 質譜條件優化
參考侯志廣[21]的阿維菌素檢測方法,在流動相中加入甲酸,通過ESI離子源、正離子模式在m/z 500~1 000范圍內掃描,得到[M+Na]+準分子離子峰m/z=896.4(阿維菌素分子量為887.11),以此作為母離子,進行二級質譜掃描,得到子離子m/z 752.3和m/z 608.1(圖2b),選擇m/z 752.3作為定量檢測離子,對射頻透鏡電壓和碰撞電壓進行優化,得到最優射頻透鏡電壓為298 V,最適碰撞電壓為41 V。
2.2 色譜條件優化
選擇甲醇-水(0.1%甲酸)作為流動相,阿維菌素的準分子離子峰的離子化效果和穩定性均比較好。在流動相中加入體積分數0.1%的甲酸,能有效消除峰形拖尾現象,并且響應值也大幅提高,穩定出峰時間為3.72 s(圖2a)。

圖2 阿維菌素質譜圖(1 000 μg/L標準品)
2.3 分析方法的評價
2.3.1 標準曲線及檢測限 準確配制1 000、500、100、10和1 μg/L系列的阿維菌素標準溶液,按上述樣品檢測條件測定,以進樣濃度為橫坐標,定量離子的色譜峰平均峰面積為縱坐標,繪制標準曲線(圖3),回歸方程為Y=1 809.81+874.513X,R2=0.999 4。在該檢測條件下,阿維菌素的檢出限為0.1 μg/L(S/N=3)定量限為0.3 μg/L(S/N=10),靈敏度較高,適用于中腸組織中低濃度藥物的檢測。
2.3.2 添加回收率及方法精密度 用正常棉鈴蟲中腸制取空白樣品,按1 000、100和10 mg/L 3個濃度添加阿維菌素標準品,每個濃度5個重復,并經前處理后連續進樣。添加回收率及相對標準偏差(n=5)分別為93.6%(RSD為3.0%)、86.1%(RSD為6.7%)、77.0%(RSD為5.2%)。

圖3 阿維菌素標準曲線
2.4 棉鈴蟲中腸中阿維菌素的藥物代謝動力學
棉鈴蟲飼喂藥物后,以正常進食的時間為橫坐標,以每克中腸組織中阿維菌素含量為縱坐標,繪制阿維菌素在棉鈴蟲中腸組織中的代謝曲線(圖4),比較不同時間棉鈴蟲中腸阿維菌素含量差異,發現在棉鈴蟲中腸組織中1~2 h藥物濃度快速升高,2 h時達到峰值(腸組織阿維菌素含量為2.4 μg/g),之后藥物濃度快速下降,4 h后下降趨于平緩,6 h后阿維菌素基本完成代謝。混合使用丙磺舒后,棉鈴蟲中腸對藥物總體代謝趨勢沒有顯著變化,但藥物峰值提高了2.8倍。根據圖2,基于藥物代謝動力學研究方法[22],使用DAS 2.0軟件計算動力學參數(表2)。結果發現混用丙磺舒之后,藥物分子在組織中停留時間(MRT)和消除半衰期(t1/2z)各增加了13%和27%。表明使用ABCC轉運蛋白抑制劑后,阿維菌素在棉鈴蟲中腸內的藥物峰值和駐留時間均顯著提高,推測其對棉鈴蟲的毒力增強。

圖4 人工飼料混藥法給藥后棉鈴蟲中腸中阿維菌素藥物濃度-時間曲線

表2 阿維菌素的主要藥物代謝動力學參數(統計矩法)
2.5 阿維菌素對棉鈴蟲的細胞毒力測定
利用不同濃度的阿維菌素處理棉鈴蟲細胞24 h,MTT法檢測細胞活性發現,阿維菌素對棉鈴蟲胚胎細胞的毒力存在閾劑量效應,當培養基中阿維菌素濃度不超過15 mg/L時細胞活力不受影響,之后隨著培養基中阿維菌素藥物濃度提高,細胞活力迅速下降。培養基中阿維菌素濃度達到20 mg/L時,細胞活力為23.3%。當培養基中同時添加丙磺舒后,阿維菌素對棉鈴蟲細胞的毒力存在劑量累積效應,培養基中阿維菌素為1 mg/L時,對細胞沒有顯著毒力,之后隨著藥物濃度提高,細胞毒力逐漸增強。EC50為11.971(5.862~18.353)mg/L,毒力方程為y=1.767-1.639lgx (x2=0.156,Sig=0.997)。此時以亞致死劑量阿維菌素處理棉鈴蟲細胞,發現混合使用丙磺舒后細胞的活力降低了67.1%。表明混用丙磺舒后阿維菌素對棉鈴蟲細胞的毒力有顯著提高。

圖5 阿維菌素對棉鈴蟲細胞毒性MTT染色結果
害蟲的抗藥性是威脅農業生產安全的重要因素,研究昆蟲抗藥性作用機制有重要的現實意義。隨著研究的深入,昆蟲ABC轉運蛋白在害蟲產生抗藥性方面的作用逐漸得到重視,XiaoY等[23]通過RNA干擾抑制ABCC2基因的表達后發現棉鈴蟲幼蟲對阿維菌素的敏感性增加。KM Seong研究發現ABCB49、ABCB50和ABCB65這3個ABC轉運蛋白功能異常可以提高果蠅對DTT的抗性[24],禾谷縊管蚜抗藥機制研究中發現吡蟲啉抗性品系中ABCG20和ABCG23的表達顯著高于敏感品系[25]。研究通過混合使用ABCC抑制劑丙磺舒,檢測棉鈴蟲中腸組織對阿維菌素的代謝情況,表明ABCC轉運蛋白抑制后,棉鈴蟲中腸內阿維菌素的藥物峰值增加,另外藥物在細胞內的駐留時間延長。這和醫學研究中通過聯用抑制劑能提高血藥峰濃度和作用時間的結果是一致的[14,26],充分說明ABCC轉運蛋白參與了棉鈴蟲中腸細胞對阿維菌素的外排作用。
丙磺舒作為ABCC轉運蛋白的抑制劑在臨床上得到大量應用,與化療藥物聯用在人類肺癌,前列腺癌癥和乳腺癌治療中與能極大的提高療效[12],De Bony報道丙磺舒通過影響肝腎轉運,使新一代抗病毒藥擷昔洛韋及其代謝物阿昔洛韋的血藥峰濃度增加[26]。Leader J P等[27]在研究丙磺舒對昆蟲ABC轉運蛋白作用機制時采用200 μmol/L,因此筆者也采用200 μmol/L作為棉鈴蟲中腸的處理濃度,但對昆蟲細胞的使用濃度還未有報道。丙磺舒干擾ABCC蛋白的功能,本身對細胞具有一定毒性。Bhaskaracharya A研究發現,丙磺舒對HEK293細胞IC50為203 μmol/L[28],多篇文獻基于此濃度對丙磺舒的作用機制進行研究[29-31]。筆者研究比較了丙磺舒對HEK293和棉鈴蟲細胞毒性的差異,發現2種細胞對丙磺舒耐受能力無顯著差異,且基于這一結果,筆者對丙磺舒抑制HEK293和棉鈴蟲細胞活力進行了檢測,結果沒有明顯差異且200~600 μmol/L的丙磺舒對棉鈴蟲細胞的毒力無顯著差異,因此研究中取400 μmol/L來處理棉鈴蟲細胞。設置只加入400 μmol/L丙磺舒的孔作為100%活力空白對照,以排除丙磺舒本身毒性的干擾。實驗結果表明丙磺舒可以提高藥物分子在棉鈴蟲細胞內的駐留能力,提高藥物毒力,有顯著的增效作用。丙磺舒或可作為一種增效劑與殺蟲劑混合使用以提高藥效,降低農藥使用量,但其在昆蟲上使用的效果,以及環境安全性,還有待進一步研究。
總之,研究通過抑制劑阻斷研究,表明ABCC轉運蛋白家族參與昆蟲細胞對有毒物質的排出作用,同時證明了丙磺舒在和阿維菌素混用時的增效作用,并闡明了增效機制,為基于該作用機制開發新型增效劑提供了條件。
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(責任編輯:肖彥資)
TheSynergismMechanismofProbenecidonAvermectinsTreatingHelicoverpaArmigeraCell
WANG Zan-yong1,ZHOU Yong2,Ma Hai-hao2,LIU Jia2,ZHU Hang2,DENG Xi-le2,TAN Hui-hua1,ZHOU Xiao-mao2
(1. College of Agriculture, Guangxi Univeristy, Nanning 530004,PRC; 2. Hunan Agricultural Biotechnology Research Center, Changsha 410125, PRC)
Probenecid is inhibitor of ABC transport. In this research, we use artificial feed contain 30 mg/L avermectins and 200 μmol/ L probenecid to feed Helicoverpa armigera and detect the content of avermectins in Helicoverpa armigera midgut. The results showed that compared with the using avermectin alone, after mixed with probenecid, the average dwell time (MRT) of avermectins in midgut increased by 13%, the Half-life (t1/2 z) increased by 27%, and Peak concentration increased 2.8 times. It was found that after using combination of sublethal dose avermectins and 400 μmol/L probenecid, Ha cell viability reduced by 67.1% by cell vitality determination. These phenomenon indicated that inhibition of ABC transporters can improve intestinal resident ability of avermectins in the Ha midgut, improve drug toxicity to the cells of Ha.
liquid chromatography-triple quadrupole tandem mass spectrometry(HPLC-MS); Helicoverpa armigera; ABC transporters; avermectins; probenecid
S482
A
1006-060X(2017)05-0064-05
10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.005.018
2017-03-12
國家自然科學基金(31371966)
王贊永(1987-),男,湖南長沙市人,碩士研究生,研究方向為農藥毒理與有害生物抗藥性。
譚輝華,周小毛