淫羊藿苷對微重力下骨髓間充質干細胞增殖與凋亡的影響

張芳+閆海洋+陳旭義

[摘要] 目的 探討淫羊藿苷（ICA）對微重力下骨髓間充質干細胞（BMSCs）增殖與凋亡的影響。 方法 將BMSCs隨機分為3組：微重力組、加藥組和對照組，其中微重力組固定于平行平板旋轉微重力效應模擬器于培養箱中培養，加藥組將微重力和1×10-6 mol/L ICA同時應用于細胞，對照組正常培養，不進行任何附加操作。采用MTT法檢測BMSCs增殖，每組設置3個復孔；流式細胞術（FCM）檢測BMSCs凋亡，每組細胞分3次測量；實時定量PCR（qPCR）檢測BMSCs凋亡相關基因，每個樣本的每種基因設置3個復孔；透射電鏡（TEM）觀察BMSCs亞細胞結構的變化。 結果 MTT法檢測顯示，微重力組吸光度值顯著低于對照組（P < 0.01），加藥組細胞吸光度值明顯高于對照組（P < 0.01）。流式細胞術檢測顯示，微重力組細胞凋亡率明顯高于對照組（P < 0.01）；加藥組細胞凋亡率明顯低于對照組（P < 0.01）。qPCR檢測提示，微重力組Bcl-2、Bax/Bcl-2、P53和Bax的表達水平均較對照組明顯升高（均P < 0.05）；加藥組P53、Bcl-2、Bax和Bax/Bcl-2的表達均較微重力組顯著降低（均P < 0.01）。透射電鏡下可見，加藥組細胞形態大致正常，與對照組比較，未發生明顯變化，微重力組部分細胞可見細胞膜皺縮、細胞膜表面微絨毛顯著減少甚至消失，胞漿濃縮，核糖體、線粒體等聚集在一起，細胞核均一固縮，染色質濃縮致密、呈向核膜下聚集。 結論 微重力可抑制BMSCs增殖、促進細胞凋亡，但適當濃度ICA可逆轉微重力所引起的這種有害影響，對BMSCs起相應的保護作用。

[關鍵詞] 骨髓間充質干細胞；淫羊藿苷；微重力；增殖；凋亡

[中圖分類號] R285.5 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2018）01（a）-0010-05

[Abstract] Objective To investigate the effect of icariin （ICA） on the proliferation and apoptosis of bone mesenchymal stem cell （BMSCs） under microgravity. Methods The BMSCs were randomly divided into three groups： microgravity group， dosing group and control group. The microgravity group and dosing group was treated with microgravity， besides， 1×10-6 mol/L ICA was applied to the cells in dosing group； the control group was cultured without any additional operation. Cell proliferation was detected by MTT assay， each group was set up 3 reduplicateholes； the apoptosis was detected by FCM， each group was detected 3 times； the expression of apoptosis related genes were detected by QPCR with 3 reduplicate holes， and the subcellular structure was observed by TEM. Results The result of MTT examination showed that the absorbance value of microgravity group was significantly lower than that of the control group （P < 0.01）， and the dosing group was significantly higher than that of the control group （P < 0.01）. FCM method showed that the apoptosis rate of microgravity group was significantly higher than control group （P < 0.01）， and the apoptosis rate of the dosing group was significantly lower than control group （P < 0.01）. Compared with the control group， the expression of Bcl-2， Bax/bcl-2， Bax， and P53 gene was up-regulated in microgravity group （all P < 0.05）； in dosing group， the expression of Bax， Bcl-2， P53 and the Bax/bcl-2 gene was significantly down-regulated when compared with microgravity group （all P < 0.01）. TEM indicated that the dosing group cells were generally normal and with no obvious changes when compared with the control group； in microgravity group， the cells existed membrane shrinking， microvilli decreasing， cytoplasmic concentration， ribosome and mitochondria gathering， nucleus pyknosis， and dense chromatin gathering to the margin of nuclear membrane. Conclusion Microgravity can inhibit osteoblast′s proliferation and promote apoptosis of BMSCs. But the appropriate concentration of ICA can protect BMSCs from the harmful effect caused by microgravity.endprint

[Key words] Bone mesenchymal stem cell； Icariin； Microgravity； Proliferation； Apoptosis

淫羊藿又名洋火葉、棄杖草等，是小檗科多年生草本植物淫羊藿干燥莖葉，《中華人民共和國藥典》2015版中記載其有“補腎陽，強筋骨，祛風濕”的功效[1]。研究表明，淫羊藿在骨損傷修復和抗骨質疏松治療方面有著優良的生物活性[2]。現代中藥藥理學認為淫羊藿的主要有效成分是黃酮類化合物淫羊藿苷（icariin，ICA），其可調節內分泌與骨代謝，并改善心腦血管功能、免疫功能、性腺功能及抗腫瘤等。近年來研究發現，ICA可增強BMSCs的增殖活性和成骨活性，有效促進骨形成，對于骨損傷后的修復起重要作用[3-4]。然而，很少有研究集中在ICA與微重力刺激相結合時對BMSCs增殖與凋亡的影響。因此，本實驗擬通過探討ICA聯合微重力對BMSCs增殖與凋亡的影響，為ICA治療骨相關疾病提供更多的理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

6周齡SPF級雄性SD大鼠5只，體重200～230 g，購自天津醫科大學動物實驗中心（動物合格證號：0042523），5只/籠，12 h光照/d，自由飲食，適應性喂養1周。

1.2 主要試劑與儀器

ICA（LCA-W-120602，北京中國藥品生物制品檢定所），Annexin V-FITC細胞凋亡試劑盒（C1063，江蘇凱基生物技術股份有限公司），qPCR試劑盒（Cll7330 38，Invitogen，美國），小鼠抗CD44單克隆抗體（A3D8，Sigma，美國），小鼠抗CD45單克隆抗體（YY-1773R，Abcam，英國），平行平板旋轉微重力效應模擬器（EQUL-3DR，NUNC，丹麥）；酶標儀（TECAN Infinite 200Pro，瑞士）；流式細胞儀（Bio-Plex200，Bio-Rad，美國），實時定量PCR儀（CFX96，Bio-Rad，美國）；透射電鏡（HT7700，日立，日本）。

1.3 實驗方法

1.3.1 SD大鼠BMSCs原代分離、培養、純化及鑒定 取7周齡大鼠脫頸處死，無菌條件下取股骨和脛骨，按牟歡等[5]的方法分離培養BMSCs。采用流式細胞儀利用BMSCs表面分子標志物CD44、CD45鑒定BMSCs。

1.3.2 分組 取對數生長期（5×106/瓶）的第3代細胞常規消化，計數將1×105個BMSCs用移液槍接種至旋轉平行平板腔，采用完全隨機化分組方法分為對照組、微重力組、10 μg/L ICA和微重力組（加藥組）。平板腔內加滿培養基，注意避免產生氣泡，培養24 h后更換培養基。將微重力組和加藥組置于旋轉模擬微重力效應器并放入培養箱使其在轉速為10 r/min的條件下運轉，連續4 d，每2天更換1次培養基，對照組同步置于培養箱中。

1.4 檢測指標

1.4.1 MTT法檢測細胞增殖 取實驗各組細胞，每瓶加入2 mL MTT液，37℃避光孵育4 h，棄去液體，各瓶加入2 mL二甲基亞砜振蕩15 min。每組細胞在96孔板上均設置3個復孔，每孔分別吸取200 μL，用酶標儀檢測其在490 nm波長下的吸光度值。

1.4.2流式細胞術檢測細胞凋亡 取實驗各組細胞，胰蛋白酶消化，2000 r/min離心10 min，用1/15 mol/L PBS洗滌4次，重懸細胞計數至5×105，按試劑盒說明加入相關試劑，室溫條件下避光孵育15 min；使用流式細胞儀上機檢測，激發波長Ex=488 nm，發射波長Em=530 nm，每組重復3次。

1.4.3 qPCR檢測mRNA表達 用Primier 5.0軟件設計Bax、Bcl-2、P53、GAPDH引物（表1）。依說明書提取各組細胞總RNA，并反轉錄成cDNA。qPCR反應體系為25 μL，根據Nano Drop定量結果，體系中包含25 ng cDNA，各引物終濃度均為400 nmol/L。每一組的每種基因均設置3個復孔，反應條件均采用兩步法：95℃ 3 min預變性，95℃ 15 s，60℃ 1 min，共40個循環；95℃ 15 s，60℃ 1 min，95℃ 15 s，60℃ 15 s，行融解曲線分析，應用2-△△Ct法計算各基因的相對表達量。

1.4.4 透射電鏡檢測細胞亞細胞結構變化 取實驗各組細胞，1/15 mol/L PBS洗滌，2000 r/min離心10 min，4%戊二醛固定12 h，4℃條件下送南開大學電鏡室。按透射電鏡制片步驟制片，完成后于透射電鏡下觀察。

1.5 統計學方法

采用SPSS 21.0統計學軟件進行數據分析，計量資料以均數±標準差（x±s）表示，多組間均數比較采用單因素方差分析，兩兩比較使用LSD法。以P < 0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 BMSCs生長特點及鑒定結果

原代BMSCs培養6～8 d后可見細胞呈梭形、紡錘形貼壁生長，形態逐漸趨向一致，在11～15 d后BMSCs基本融合鋪滿培養瓶呈典型的旋渦狀生長或放射狀生長。傳代后BMSCs仍呈均一梭形貼壁生長，6～8 d基本達到融合狀態。采用流式細胞術檢測BMSCs表面抗原，顯示CD44、CD45陽性細胞比率分別為98.96%、12.23%，符合BMSCs的鑒定標準[6]。見圖1。

2.2 MTT法檢測結果

微重力組吸光度值顯著低于對照組[（1.65±0.03） vs. （2.14±0.04），P < 0.01]，加藥組細胞吸光度值明顯高于對照組和微重力組[（2.41±0.03） vs. （2.14±0.04），P < 0.01]。見圖2。endprint

2.3 流式細胞術檢測結果

微重力組細胞凋亡率明顯高于對照組[（0.116±0.004） vs. （0.046±0.002），P < 0.01]；加藥組細胞凋亡率明顯低于對照組[（0.027±0.002） vs. （0.046±0.002），P < 0.01]。見圖3。

2.4 qPCR結果

微重力組P53、Bcl-2、Bax和Bax/Bcl-2的表達均較對照組明顯升高（均P < 0.05）；加藥組P53、Bcl-2、Bax和Bax/Bcl-2的表達均較微重力組顯著降低（均P < 0.01）。見圖4。

2.5 透射電鏡亞細胞結構檢測結果

透射電鏡下觀察亞細胞結構發現，加藥組細胞形態大致正常，與對照組比較，未發生明顯變化。微重力組部分細胞可見細胞膜皺縮、細胞膜表面微絨毛顯著減少甚至消失，胞漿濃縮，核糖體、線粒體等聚集在一起，細胞核均一固縮，染色質濃縮致密、呈向核膜下聚集的趨勢，呈早期凋亡現象（圖5）。

3 討論

隨著我國太空探索活動越來越深入，太空微重力環境所致的骨量丟失是威脅航天員健康的主要問題之一[6]。骨代謝的平衡穩定主要取決于成骨細胞主導的骨生成與破骨細胞主導的骨吸收，而重力刺激和機械力學載荷則對其動態穩衡有著至關重要的調節作用[7]。研究證實，微重力所導致的骨量丟失主要是因為骨代謝平衡狀態被打破，骨組織礦化障礙導致[8-9]。BMSCs起源于骨髓基質，成骨細胞則是由BMSCs在機體多種調控因素的調控下分化而來。近年來有學者研究證實微重力條件下BMSCs在形態、增殖及分化方面發生一系列變化[10-11]。ICA對骨生成和BMSCs的增殖與分化有著重要的調控作用[12]。本實驗將ICA聯合微重力來探索其對BMSCs增殖與凋亡的影響。

結果顯示，微重力可抑制BMSCs增殖、誘導并激活BMSCs凋亡，加藥組則可顯著提高BMSCs活性并抑制BMSCs凋亡。黃國平等[13]研究發現微重力環境中BMSCs細胞周期停滯在G0/G1期，細胞增殖明顯被抑制，在微重力環境中時間越長，這種現象愈明顯，這可能是由于胞內游離狀態的β-catenin mRNA含量降低導致經典Wnt信號轉導通路被抑制所引起[14]。加入淫羊藿苷后，BMSCs增殖活性明顯增高，與劉天麟等[15]研究結果類似，其以犬BMSCs為實驗對象同樣發現ICA對BMSCs增殖、骨向分化有促進作用。

透射電鏡檢測結果表明，微重力可誘導BMSCs凋亡，而加用ICA后，凋亡被顯著抑制。這可能與ICA通過調控凋亡相關基因表達密切相關。Bax基因與Bcl-2基因是一對同源性較高但功能完全不同的同一家族成員。Bax基因過表達時可形成同源二聚體，促進細胞凋亡、抑制增殖；Bcl-2基因過表達時可與Bax基因形成異源二聚體，促進細胞增殖、抑制凋亡[16-18]。Bax基因和Bcl-2基因作為細胞凋亡正負向調控基因，兩者的表達比（Bax/Bcl-2）不但決定細胞凋亡是否啟動，還能反映凋亡的進展程度，對細胞凋亡的調控有著不可或缺的作用[19-20]。結果顯示微重力可顯著促進Bax表達，而應用ICA后Bax表達受到抑制，同時Bax/Bcl-2比值也顯著降低，提示ICA對凋亡起到抑制作用。P53基因可與受損DNA結合，使細胞停滯在G1期而不能進入S期，并最終導致細胞凋亡[16-18]。ICA的應用，同樣抑制P53的表達，從而發揮抗凋亡作用。

綜上所述，微重力可抑制BMSCs增殖、促進BMSCs凋亡，但適當濃度（1×10-6 mol/L）的ICA能有效逆轉微重力所引起的這種有害影響，對BMSCs起相應的保護作用。該研究可促進對ICA聯合微重力因素對骨重建作用機制的了解，為臨床骨保護藥物的開發與應用提供理論依據，對臨床治療骨關節相關疾病具有重要意義。

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（收稿日期：2017-09-26 本文編輯：王 瓊）endprint