康瑞芬 王 猛 沈家鯤 金曉明 李春梅
(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,南京210095)
霉菌毒素是由多種自然界中真菌產(chǎn)生的高度多樣化的次級(jí)代謝產(chǎn)物,會(huì)污染食物和飼料,導(dǎo)致人和動(dòng)物霉菌毒素中毒[1]。T-2毒素屬于單端孢霉烯族A類化合物,主要由鐮刀菌屬產(chǎn)生,如梨孢鐮刀菌、枝孢鐮刀菌、擬孢鐮刀菌和三線鐮刀菌等[2]。在單端孢霉烯族霉菌毒素中,雖然T-2毒素的檢出率較低,但其毒性最強(qiáng),且廣泛存在于大麥、小麥、燕麥和玉米等谷物中[3],嚴(yán)重危害家畜健康,影響畜牧業(yè)的發(fā)展,因此受到廣泛關(guān)注。T-2毒素的產(chǎn)生及飼料和食品的污染程度與多種因素有關(guān),如遺傳因素、環(huán)境溫濕度、底物溫濕度和氧氣含量[4]。作物在田間生長期間以及收割后儲(chǔ)存不當(dāng)均會(huì)產(chǎn)生T-2毒素。
T-2毒素在歐洲聯(lián)盟國(EU)是谷物樣品中常見的污染物,人和動(dòng)物被暴露T-2毒素的風(fēng)險(xiǎn)大大增加,因此對(duì)人和動(dòng)物的健康構(gòu)成了威脅[5]。對(duì)來自22個(gè)歐洲國家的20 519個(gè)飼料和谷物樣品進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)谷物中特別是燕麥和燕麥產(chǎn)品中存在T-2和HT-2毒素[6]。Gruber-Dorninger等[7]進(jìn)行的10年全球飼料中真菌毒素含量調(diào)查中發(fā)現(xiàn),19%的樣品被T-2毒素污染。中國飼料樣品中T-2毒素的污染率為79.5%,這些樣品中T-2毒素的含量最高為735 ng/g[8]。Morcia等[9]報(bào)告指出,從2011年至2014年,意大利大麥樣品中T-2毒素和HT-2毒素的陽性率在22%~53%。在對(duì)克羅地亞、波斯尼亞和黑塞哥維那的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),在340個(gè)未加工燕麥樣品中,T-2毒素的檢出率為86.1%,T-2毒素的含量最高為304.2 μg/kg[10]。T-2和HT-2毒素也是英國有機(jī)和傳統(tǒng)燕麥中最常檢出的鐮刀菌毒素,超標(biāo)率分別為84%和92%[11]。
T-2毒素的主要毒性機(jī)制為通過與60S核糖體亞基上的肽基轉(zhuǎn)移酶相互作用抑制蛋白質(zhì)合成,誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生核糖體應(yīng)激反應(yīng),激活c-Jun N端激酶(JNK)/p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK),參與機(jī)體的許多生理過程,如破壞細(xì)胞穩(wěn)態(tài),抑制細(xì)胞生長和分化,引起細(xì)胞凋亡[12]。小腸是營養(yǎng)物質(zhì)主要的吸收部位,也是抵御外界物質(zhì)的第1道物理屏障,對(duì)維持動(dòng)物的健康至關(guān)重要[13]。豬空腸上皮細(xì)胞(intestinal porcine epithelial cells, IPEC-J2)是從沒有喂食的新生仔豬空腸中分離的細(xì)胞系,保留了腸道上皮的性質(zhì),可作為研究腸上皮固有功能的簡便模型[14]。該細(xì)胞系具備非轉(zhuǎn)化、非致瘤的特點(diǎn),可分泌黏液素,產(chǎn)生細(xì)胞因子和趨化因子[15],表達(dá)與免疫系統(tǒng)相關(guān)的蛋白質(zhì),例如粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(GM-CSF)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)[16]。因此,IPEC-J2被廣泛用于研究外源物質(zhì)對(duì)腸道免疫功能、通透性和創(chuàng)傷后愈合能力的影響[17-18]。Pinton等[19]發(fā)現(xiàn)動(dòng)物攝入T-2毒素污染的飼料后,會(huì)誘發(fā)胃腸道發(fā)生壞死性病變。Goossens等[20]發(fā)現(xiàn)T-2毒素處理IPEC-J2,會(huì)降低細(xì)胞跨膜電阻(TEER)值,增加細(xì)胞通透性,破壞腸道屏障。Verbrugghe等[21]發(fā)現(xiàn)T-2毒素處理IPEC-J2,鼠傷寒沙門氏菌跨IPEC-J2單層的轉(zhuǎn)運(yùn)明顯增加,說明細(xì)胞屏障被破壞。Romero等[22]發(fā)現(xiàn)T-2毒素降低結(jié)直腸腺癌細(xì)胞(Caco-2)的TEER值以及緊密連接相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平。
研究表明,大部分霉菌毒素的毒性由氧化應(yīng)激介導(dǎo)[23- 24],氧化應(yīng)激會(huì)引起腸上皮細(xì)胞凋亡,誘導(dǎo)腸道發(fā)生炎性反應(yīng)[25]。N-乙酰-L-半胱氨酸(NAC)是一種含硫醇的抗氧化劑,能夠有效清除活性氧(ROS),有助于維持細(xì)胞內(nèi)的氧化和抗氧化平衡[26]。據(jù)報(bào)道,NAC可以保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激,抑制腸道損傷,降低腸道脂質(zhì)過氧化和自由基水平,促進(jìn)抗氧化酶活性的恢復(fù)[27]。目前,關(guān)于T-2毒素誘導(dǎo)的腸屏障功能異常的確切機(jī)制尚不清楚,其毒性作用是否和氧化應(yīng)激有關(guān)有待驗(yàn)證。因此,本試驗(yàn)以IPEC-J2為試驗(yàn)對(duì)象,旨在揭示T-2毒素對(duì)腸道的損傷機(jī)理,為防御T-2毒素對(duì)人和動(dòng)物腸道損傷提供一定的理論依據(jù)。
IPEC-J2購買自北京北納創(chuàng)聯(lián)生物有限公司。細(xì)胞完全培養(yǎng)基由DMEM高糖培養(yǎng)基、10%胎牛血清(FBS)和1%抗生素(10 kU/mL青霉素、10 mg/mL鏈霉素和25 μg/mL兩性霉素B)組成。將細(xì)胞在37 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng),連續(xù)供應(yīng)5%的CO2。
T-2毒素購自北京百靈威科技有限公司;DMEM高糖培養(yǎng)基、胎牛血清、抗生素購自美國GIBCO公司;NAC、四甲基偶氮唑鹽(MTT)試劑盒、ROS試劑盒、過氧化氫酶(CAT)試劑盒、丙二醛(MDA)試劑盒和總超氧化物歧化酶(T-SOD)試劑盒均購自南京建成生物研究所;抗體核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB)購自美國Abcam公司;反轉(zhuǎn)錄試劑盒、熒光定量PCR試劑盒購自南京擎科生物科技有限公司。
CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱、全波長酶標(biāo)儀購自美國Thermo公司;LSM700激光共聚焦顯微鏡購自德國Zeiss公司;梯度PCR熱循環(huán)儀購自日本TaKaRa公司;熒光定量PCR儀購自美國ABI公司。
細(xì)胞傳代后,待細(xì)胞融合度達(dá)到80%,將細(xì)胞消化下來,進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)并將細(xì)胞懸液進(jìn)行稀釋。細(xì)胞以1×105個(gè)/mL濃度接入96孔板,待細(xì)胞融合度達(dá)到80%,用不同濃度(0、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0和4.0 ng/mL)的T-2毒素處理處理細(xì)胞12、24、48 h,參照MTT試劑盒說明書進(jìn)行細(xì)胞活力測(cè)定,以確定適宜的T-2毒素濃度和處理時(shí)間。
以IPEC-J2為模型細(xì)胞,試驗(yàn)分為4個(gè)組,分別為對(duì)照組(Con組)、NAC組(4.0 mmol/L NAC)、T-2組(4.0 ng/mL T-2毒素)和T-2+NAC組(4.0 ng/mL T-2毒素+4.0 mmol/L NAC)。T-2毒素溶于二甲基亞砜(DMSO)并配制成1 mg/mL的貯存液于-20 ℃保存,用基礎(chǔ)培養(yǎng)基稀釋到4.0 ng/mL并于4 ℃保存。NAC用滅菌雙蒸水配制成0.5 mmol/L的貯存液,置于4 ℃保存。將消化后的細(xì)胞以均等濃度接種到96孔板或6孔板(不同試驗(yàn),接種板不同),當(dāng)細(xì)胞融合度達(dá)到80%時(shí),用含有相應(yīng)試劑的培養(yǎng)基替代基礎(chǔ)培養(yǎng)基,繼續(xù)培養(yǎng)12 h,進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)操作。
細(xì)胞以2×105個(gè)/mL濃度接入6孔板,待細(xì)胞融合度達(dá)到80%,用T-2毒素和NAC溶液處理細(xì)胞12 h后,吸掉培養(yǎng)基,PBS清洗3次,每孔加1 mL Trizol,將細(xì)胞裂解下來,裂解液和細(xì)胞一起裝入2 mL離心管,離心機(jī)離心(4 ℃,3 500 r/min,15 min)。取上清液放入新的2 mL離心管,加0.2 mL氯仿混勻靜置5 min,放入離心機(jī)離心(4 ℃,12 000 r/min,15 min),取上清液放入新的2 mL離心管,與上清液等體積加入異丙醇,混勻靜置10 min,離心機(jī)離心(4 ℃,12 000 r/min,10 min)。棄去上清,加入1 mL 75%乙醇輕輕震蕩洗滌沉淀,離心機(jī)離心(4 ℃,7 500 r/min,5 min)。棄去上清,將裝有沉淀的離心管放入超凈臺(tái),打開分機(jī)吹干沉淀,加入50 μL焦碳酸二乙酯(DEPC)水溶解沉淀并用槍輕輕吹打均勻。測(cè)定細(xì)胞RNA濃度后,按照2×TSINGKE Master Mix反轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書對(duì)RNA進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄,獲得cDNA;測(cè)得cDNA濃度后,將各樣品cDNA濃度稀釋到100 ng/μL,cDNA放于-20 ℃保存用于后續(xù)試驗(yàn)。按照2×T5 Fast qPCR Mix(SYBR Green I)試劑盒說明書加入各反應(yīng)試劑,在實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀上進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用2-△△Ct法進(jìn)行相對(duì)定量計(jì)算,各個(gè)基因引物序列見表1。

表1 引物序列
首先將細(xì)胞爬片放入12孔板,打入100 μL濃度為2×105個(gè)/mL的細(xì)胞懸液,待細(xì)胞貼壁后,再打入1 mL培養(yǎng)基,培養(yǎng)至細(xì)胞融合度達(dá)到80%,用T-2毒素和NAC溶液處理細(xì)胞12 h,測(cè)定細(xì)胞ROS水平,測(cè)定方法參照ROS檢測(cè)試劑盒說明書。
細(xì)胞以2×105個(gè)/mL濃度接入6孔板,待細(xì)胞融合度達(dá)到80%,用T-2毒素和NAC溶液處理細(xì)胞12 h后,用細(xì)胞刮板將細(xì)胞刮下來,和培養(yǎng)基一起放入新的2 mL離心管,離心機(jī)離心(4 ℃,1 500 r/min,5 min),收集上清液,放于-20 ℃保存。測(cè)定細(xì)胞T-SOD、CAT活性和MDA含量,測(cè)定方法參照相應(yīng)的試劑盒說明書。
首先將細(xì)胞爬片放入12孔板,打入100 μL濃度為2×105個(gè)/mL的細(xì)胞懸液,待細(xì)胞貼壁后,再打入1 mL培養(yǎng)基,培養(yǎng)至細(xì)胞融合度達(dá)到80%,用T-2毒素和NAC溶液處理細(xì)胞12 h。吸出培養(yǎng)基,每孔加入1 mL磷酸鹽緩沖液(PBS),置于搖床上清洗3次,每次5 min;移除PBS,加1 mL 4%多聚甲醛,室溫固定1 h,吸掉多聚甲醛,加入PBS,搖床清洗,重復(fù)3次,每次5 min;加入100 μL TritonX-100(0.5%)通透10 min,PBS清洗3次,每次5 min;加入1 mL 1%牛血清白蛋白(BSA),室溫封閉1 h;滴加50 μL一抗到蓋玻片上,于濕盒中避光孵育(37 ℃,1 h);PBS清洗3次,每次5 min;滴加50 μL Alexa Fluor 488標(biāo)記的二抗,于濕盒中避光孵育(37 ℃,1 h);吸掉二抗,加入PBS,搖床清洗,重復(fù)3次,每次5 min;滴加50 μL 4′,6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI),濕盒中避光孵育(室溫,10 min),PBS清洗3次,每次5 min;載玻片上滴加熒光抗淬滅劑,將細(xì)胞爬片倒置在載玻片上進(jìn)行封片,激光共聚焦顯微鏡檢測(cè)熒光強(qiáng)度并拍照記錄。
數(shù)據(jù)分析用GraphPad Prism 6.01軟件完成。首先進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA),然后進(jìn)行Tukey多重比較檢驗(yàn),結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(mean ± SE)。P<0.05表示差異顯著,P<0.01表示差異極顯著。
為了確定T-2毒素對(duì)IPEC-J2的毒性,用不同濃度的T-2毒素(0、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0和4.0 ng/mL)處理細(xì)胞12、24、48 h后檢測(cè)細(xì)胞活力。如圖1所示,隨著T-2毒素濃度增加,細(xì)胞活力降低,且處理時(shí)間越長,細(xì)胞活力越低。與0 ng/mL T-2毒素相比,1.5、2.0、3.0和4.0 ng/mL T-2毒素處理細(xì)胞12、24、48 h后,細(xì)胞活力顯著或極顯著降低(P<0.05或P<0.01)。其中,4.0 ng/mL T-2毒素處理細(xì)胞12 h后,細(xì)胞活力為74.5%;處理細(xì)胞24 h后,細(xì)胞活力為49.5%;處理細(xì)胞48 h后,細(xì)胞活力低至45.5%。因此,本試驗(yàn)選擇的T-2毒素濃度和處理時(shí)間分別為4.0 ng/mL和12 h。

*表示與0 ng/mL T-2毒素相比差異顯著(P<0.05),**表示與0 ng/mL T-2毒素相比差異極顯著(P<0.01)。
如圖2所示,與對(duì)照組相比,T-2組細(xì)胞活力極顯著降低(P<0.01);T-2+1 mmol/L NAC、T-2+2 mmol/L NAC、T-2+4 mmol/L NAC組細(xì)胞活力均無顯著差異(P>0.05)。T-2+4 mmol/L NAC組細(xì)胞活力高于T-2+1 mmol/L NAC和T-2+2 mmol/L NAC組(P>0.05)。因此,本試驗(yàn)選擇4 mmol/L NAC作為后續(xù)試驗(yàn)濃度。

1、2、4 NAC分別表示1、2、4 mmol/L NAC;**表示與對(duì)照組相比差異極顯著(P<0.01)。
如圖3所示,與對(duì)照組相比,T-2組IPEC-J2中TNF-α mRNA相對(duì)表達(dá)量顯著升高(P<0.05),NAC、T-2和T-2+NAC組IPEC-J2中白細(xì)胞介素-6(IL-6)mRNA相對(duì)表達(dá)量極顯著升高(P<0.01),T-2+NAC組IPEC-J2中白細(xì)胞介素-10(IL-10)mRNA相對(duì)表達(dá)量顯著升高(P<0.05)。
如圖4所示,與對(duì)照組相比,T-2組IPEC-J2中ROS水平極顯著升高(P<0.01)。與T-2組相比,T-2+NAC組IPEC-J2中ROS水平顯著降低(P<0.05)。
如圖5所示,與對(duì)照組相比,T-2組IPEC-J2中CAT和T-SOD活性極顯著降低(P<0.01),IPEC-J2中MDA含量極顯著升高(P<0.01)。與T-2組相比,T-2+NAC組IPEC-J2中CAT和T-SOD活性極顯著升高(P<0.01),IPEC-J2中MDA含量極顯著降低(P<0.01)。

*表示與對(duì)照組相比差異顯著(P<0.05),**表示與對(duì)照組相比差異極顯著(P<0.01)。下圖同。

#表示與T-2組相比差異顯著(P<0.05),##表示與T-2組相比差異極顯著(P<0.01)。下圖同。

圖5 T-2毒素對(duì)IPEC-J2中抗氧化指標(biāo)的影響
如圖6所示,與對(duì)照組相比,T-2組IPEC-J2中NF-κB蛋白相對(duì)表達(dá)量極顯著升高(P<0.01)。與T-2組相比,T-2+NAC組IPEC-J2中NF-κB蛋白相對(duì)表達(dá)量極顯著降低(P<0.01)。
腸道是機(jī)體的第1道物理屏障,動(dòng)物攝入被霉菌毒素污染的飼料后,胃腸道可能暴露于高濃度的霉菌毒素中,引起胃腸道損傷。IPEC-J2是一種永生的腸細(xì)胞系,可在體外保持分化特征,與原代腸上皮細(xì)胞高度相似[28]。此外,IPEC-J2保留了其上皮的性質(zhì),可模擬腸道上皮先天免疫功能,分泌黏蛋白,產(chǎn)生細(xì)胞因子和趨化因子[15],常被用于研究腸道病原體與宿主的相互作用、豬特異性病原體的生成以及先天免疫反應(yīng)[16,29]。

圖6 T-2毒素對(duì)IPEC-J2中NF-κB蛋白表達(dá)的影響
體外細(xì)胞活力測(cè)定在預(yù)測(cè)毒素毒性中起著核心作用。研究表明,不同濃度的T-2毒素處理IPEC-J2,細(xì)胞活力顯著降低,而且T-2毒素濃度越高,細(xì)胞活力越低[20],這與本試驗(yàn)的研究結(jié)果一致。細(xì)胞氧化應(yīng)激主要表現(xiàn)為細(xì)胞ROS水平增加,抗氧化能力降低,如T-SOD、CAT和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)等抗氧化酶活性降低,MDA含量增加,脂質(zhì)過氧化程度增加[30]。在本試驗(yàn)中,T-2毒素極顯著降低了IPEC-J2中CAT和T-SOD活性,極顯著升高了IPEC-J2中MDA含量,極顯著增加IPEC-J2中ROS水平,從而導(dǎo)致氧化應(yīng)激并使細(xì)胞發(fā)生炎性反應(yīng)。與T-2毒素單獨(dú)處理相比,T-2+NAC處理可以極顯著降低IPEC-J2中ROS水平,極顯著升高IPEC-J2中CAT和T-SOD活性,極顯著降低IPEC-J2中MDA含量,減緩細(xì)胞的氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)。上述結(jié)果表明,T-2毒素誘導(dǎo)IPEC-J2發(fā)生炎性反應(yīng)主要通過誘導(dǎo)ROS的過量產(chǎn)生,破壞氧化平衡,導(dǎo)致腸上皮細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激。
NF-κB參與誘導(dǎo)多種基因的表達(dá),在調(diào)控腸道免疫和炎性反應(yīng)的多種基因的表達(dá)中起著核心作用。細(xì)胞因子和病原體刺激細(xì)胞表面受體啟動(dòng)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng),從而激活NF-κB驅(qū)動(dòng)細(xì)胞增殖以及抗壞死因子分子和細(xì)胞因子釋放,以激活免疫應(yīng)答[31]。同時(shí),NF-κB調(diào)控不同類型的免疫細(xì)胞的分化,驅(qū)動(dòng)單核細(xì)胞分化為巨噬細(xì)胞,M1巨噬細(xì)胞產(chǎn)生白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、IL-6、TNF-α和其他促炎細(xì)胞因子,M2巨噬細(xì)胞產(chǎn)生抗炎因子IL-10[32]。IL-6是典型的多效細(xì)胞因子,由淋巴樣和非淋巴樣細(xì)胞(包括上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和肌肉細(xì)胞)產(chǎn)生,參與調(diào)控免疫應(yīng)答,在許多類型的腸道炎癥和手術(shù)損傷中均觀察到IL-6的過量表達(dá)[33-34]。在本試驗(yàn)中,T-2毒素處理IPEC-J2 12 h后,NF-κB蛋白相對(duì)表達(dá)量極顯著增加,細(xì)胞中促炎細(xì)胞因子IL-6和TNF-α的mRNA相對(duì)表達(dá)量顯著或極顯著升高,這與其他霉菌毒素對(duì)IPEC-J2的研究結(jié)果[25]一致。與T-2組相比,T-2+NAC組的IPEC-J2中NF-κB蛋白相對(duì)表達(dá)量極顯著降低,抗炎因子IL-10的mRNA相對(duì)表達(dá)量升高,TNF-α和IL-6的mRNA相對(duì)表達(dá)量降低。以上研究結(jié)果表明,T-2毒素誘導(dǎo)IPEC-J2產(chǎn)生過量ROS,從而激活NF-κB蛋白的表達(dá),促進(jìn)炎癥因子的釋放,引起炎性反應(yīng)。如圖7所示,T-2毒素通過ROS/NF-κB信號(hào)通路誘導(dǎo)IPEC-J2發(fā)生炎性反應(yīng)。

IPEC-J2:豬空腸上皮細(xì)胞 intestinal porcine epithelial cells;NAC:N-乙酰-L-半胱氨酸 N-acetyl-L-cysteine;ROS:活性氧 reactive oxygen species;NF-κB:核轉(zhuǎn)錄因子-κB nuclear factor-κB;IL-6:白細(xì)胞介素-6 interleukin-6;IL-10:白細(xì)胞介素-10 interleukin-10;TNF-α:腫瘤壞死因子-α tumor necrosis factor-α。
T-2毒素通過誘導(dǎo)IPEC-J2產(chǎn)生過量的ROS,促進(jìn)炎癥相關(guān)基因和NF-κB蛋白的表達(dá),導(dǎo)致IPEC-J2發(fā)生炎性反應(yīng)。當(dāng)利用NAC抑制細(xì)胞產(chǎn)生ROS,可明顯抑制T-2毒素誘導(dǎo)的細(xì)胞炎性反應(yīng)。