李燦濤,盧穎裕,陳勇兒,梁 健1,,侯少貞1,,陳鑑強1,,
(1.汕頭大學醫學院第一附屬醫院,廣東汕頭 515041;2.廣州中醫藥大學中藥學院,廣東廣州 510006;3.浙江中醫藥大學藥學院,浙江杭州 310053)
結腸癌是一種常見的消化道惡性腫瘤,為世界第三大癌癥,嚴重威脅著人類生命健康[1?2]。中醫認為,結腸癌的主要癥候之一為脾腎陽虛。此外,不良飲食習慣和情緒的干擾,可導致胃腸受損,加速結腸癌病程的發展[3]。臨床上對于結腸癌的治療主要手段為根治性手術,并輔以放療、化療和中醫治療[4]。結直腸癌的化療藥物,如5-氟尿嘧啶和奧沙利鉑,在對抗癌細胞的同時,也會對機體正常細胞造成一定程度的損傷,長期化療可導致腹瀉、口腔黏膜炎,更甚者會造成嚴重的后遺癥,嚴重降低了患者的生活質量[5]。基于結直腸癌的發病過程時間較長,尋找適合長期服用并有抑制腫瘤生長效果的藥物,具有較好的應用前景。
中醫認為結腸癌的病機主要為:腸道蘊結濕熱、火毒為病之標;腎虧、正氣不足為病之本。故治療結腸癌應當以清熱利濕和補腎為主[6?8]。巴戟天是我國“四大南藥”之一,屬于藥食同源、藥理活性明確的中藥,具有補肝腎、強筋骨、祛風濕的功效,因此,具有良好的開發前景[9]。關于巴戟天的抗腫瘤活性,最早的報道是來源于巴戟天醇提物抑制腫瘤形成的研究。該報道指出,巴戟天醇提物抑制腫瘤形成過程中的關鍵蛋白酶磷脂酰肌醇-3-活化醇素的活性,從而限制腫瘤的發生發展[10]。環烯醚萜苷類化合物作為巴戟天乙醇提取物的主要成分之一,其主要的單體成分包括具有抗腫瘤活性的水晶蘭苷、香茅苷和骨化三醇A,三者均對誘導腫瘤發生發展的蛋白活化劑AP-1有明顯的抑制作用[11]。然而,巴戟天的抗腫瘤活性是否可通過其他途徑實現尚未有深入的探討。
本課題組前期研究發現,巴戟天乙醇提取物對硫酸葡聚糖(Dextran sulfate,DSS)誘導的潰瘍性結腸炎小鼠具有顯著療效,通過下調腸道促炎因子的分泌,有效緩解腸道炎癥環境,改善小鼠腸道屏障受損[12]。眾所周知,腸道長期處于炎性環境是誘發腸道癌變的重要因素[13]。基于此,探討巴戟天是否能夠作為對抗結直腸癌的潛在藥物具有重要的現實意義。因此,本研究擬建立人源結腸癌HCT-116細胞移植瘤模型,探討巴戟天是否具有抑制結直腸癌的作用,并初步探討其可能的潛在干預機制。本研究結果為后續對于巴戟天應用結直腸炎、癌的預防應用提供了實驗依據。
雄性SPF級裸鼠(6~8周)40只,18~22 g 廣東省醫學實驗動物中心,許可證號SCXK(粵)2019-0003;人源結腸癌HCT-116細胞 購于中國科學院細胞庫。
巴戟天生藥(鹽制品) 購于深圳Lush有限責任公司,由廣州中醫藥大學中藥學院丁平教授鑒定和提供;巴戟天乙醇提取物 由廣州中醫藥大學侯少貞課題組制備得到;5-氟尿嘧啶(5-FU) 購于廣州瑞舒生物有限公司,批號:20190301;DAB顯色試劑盒(20×) 購于北京中杉金橋生物技術有限公司,批號:K192421C;BCA蛋白濃度測定試劑盒 購于大連美侖生物科技有限公司,批號:MA0082-3-APR-12D;檸檬酸鈉抗原修復液 購于博士德生物工程有限公司,批號:13K08A24;免疫組化試劑盒 購于北京博奧森生物技術有限公司,批號:AI07258834;Mouse PGE2測定試劑盒 購于江蘇酶免實業有限公司,批號:MM-0062M1;iNOS抗體 Affinity公司,批號:7913216;CD206抗體 R&D system公司,批號:WFT011801A;HIF-1α抗體 購于Affinity公司,批號:17v4560;COX-2抗體 購于SAB公司,批號:4813;VEGF抗體 購于武漢賽維爾生物科技有限公司,批號:LS194929;GAPDH小鼠單克隆抗體 購于Protein-tech公司,批號:10008047;超敏ECL化學發光試劑盒 購于碧云天公司,批號:P0018S。
BSA224S型電子天平 德國賽多利斯公司;500-151-30型電子數顯游標卡尺 日本Mitutoyo公司;HP300組織脫水機、HBM-1型組織包埋機、TM-4000組織切片機、DL6M型冷凍低速離心機、MR-96A型全波長多功能酶標儀、DW86型?80 ℃超低溫冰箱 美國Thermo Fisher公司;CU600型電熱恒溫水浴鍋 中國中新醫療儀器有限公司;TGL-20M型高速冷凍離心機 中國常州金壇良友儀器有限公司;ZY-300型渦旋儀 浙江新豐醫療器械有限公司;HF-24M型全自動樣品冷凍研磨儀 上海賀帆儀器有限公司;CKX-41-32型倒置型顯微鏡、CM-24-11型光學顯微鏡 日本Olympus公司;Zeiss LSM800型激光共聚焦顯微鏡 德國蔡司公司;SW-CJ-2F型雙人雙面型潔凈工作臺 南京曉曉儀器設備有限公司;MCO-20AIC型細胞培養箱 日本Sanyo儀器有限公司;165-8033型蛋白電泳儀、170-3848型Trans-Blot半干轉印槽 美國Bio-rad公司;Tanon2500型全自動凝膠成像系統 上海天能科技有限公司。
1.2.1 藥物制備 巴戟天生藥(鹽制品)經干燥,超微粉碎獲得;巴戟天乙醇提取物制備方法:將制取的巴戟天粉末用8倍量85%乙醇加熱回流2 h,重復兩次,合并兩次提取液,回收溶劑,使用旋轉蒸發器濃縮,得到的濃縮液在真空下冷凍干燥后得浸膏后低溫烘干打粉,并存放于4 ℃冰箱。經檢測,巴戟天乙醇提取物中環烯醚萜的主要活性成分為水晶蘭苷,含量為2.12%[12]。
1.2.2 細胞準備 將儲存于液氮罐的HCT-116細胞取出,在37 ℃恒溫水浴鍋中來回晃動快速解凍。將解凍的細胞轉移至離心管中進行離心(1000 r/min),棄上清液,加入含有9%胎牛血清和1%青霉素-鏈霉素雙抗的DMEM完全培養基,吹打均勻,而后將細胞懸液轉移至細胞培養瓶中,置于細胞培養箱中培養(37 ℃,5% CO2)。細胞培養穩定后,加入胰酶消化液將細胞從瓶壁脫落,然后加入完全培養基終止消化。對細胞進行離心后計數,調整細胞密度為107個/mL,于每只裸鼠腋下接種0.2 mL細胞懸液,造實體瘤裸鼠模型。
1.2.3 動物實驗
1.2.3.1 動物造模和分組 動物飼養于廣州中醫藥大學實驗動物中心SPF級別動物房,飼養溫度為22~25 ℃,濕度:45%~55%,每日光照12 h,每天給予動物標準飼料自由食用和蒸餾水自由飲用。
40只裸鼠于SPF級動物房適應性飼養一周后,腋下接種0.2 mL細胞密度為107個/mL的HCT-116細胞懸液,造成實體瘤動物模型。接種后24 h內將動物隨機分為對照組和給藥組。每天觀察裸鼠狀態并且記錄小鼠的體重和腫瘤體積。每天使用電子游標卡尺量取小鼠腋下的腫瘤,以瘤體任意兩點連線最長的長度為長徑(a)以及垂直于a的最大長度為寬徑(b),計算和記錄腫瘤體積。腫瘤體積的計算公式:腫瘤體積=0.5×a×b2。裸鼠的造模流程可參見圖1。

圖1 HCT-116移植瘤小鼠造模Fig.1 Procedure of modeling HCT-116 xenograft tumor in mice
飼養一周后,剔除腫瘤增長過快或未形成腫塊的動物;待裸鼠皮下腫瘤體積達到200~300 mm3,將全部裸鼠按腫瘤體積隨機分組,分別為:對照組(Control group)、5-氟尿嘧啶組(5-FU group)(30 mg/kg,每3 d給藥1次,腹腔注射給藥),巴戟天乙醇提取物組(EEMO group,12 mg/kg/d,灌胃給藥)、巴戟天生藥組(CDMO group,200 mg/kg/d,灌胃給藥),每組共有10只裸鼠。每5 d觀察裸鼠狀態并且記錄小鼠的體重和腫瘤體積。對照組每天灌胃等體積蒸餾水和每3 d腹腔注射等體積蒸餾水,EEMO和CDMO組除每天灌胃相應藥物外另每3 d腹腔注射等體積生理鹽水。所有裸鼠均給予自由飲食飲水。實驗進行至第23 d結束,對小鼠進行解剖,剖取腫瘤組織進行稱量、記錄重量和保存。
1.2.3.2 血液與腫瘤組織收集 實驗結束后,對裸鼠進行乙醚麻醉,眼眶取血。4 ℃條件下以3500 r/min離心血液15 min得血清,血清保存于?80 ℃冰箱中備用。隨后對小鼠進行脫頸椎法處死,并小心剖去皮下腫瘤組織,測量腫瘤重量,并拍照記錄。取1/4腫瘤組織用于病理學檢測,1/4腫瘤組織用于流式細胞術檢測,剩余部分凍存于?80 ℃冰箱中備用。
1.2.4 體外指標檢測
1.2.4.1 病理學檢測 實驗結束后,切取每個腫瘤的1/4浸泡于4 %甲醛。將浸泡4 %甲醛超過48 h的腫瘤組織,進行脫水、浸蠟、包埋等程序,切成4 μm薄片附載于粘附性載玻片上,將載玻片在60 ℃烘箱中烘烤2 h,隨后使用組織自動染色機進行蘇木精-伊紅染色法(Hematoxylin-eosin staining, HE)染色,具體染色操作參考WANG等[14]的方法。對染色完成后的載玻片進行風干,用中性樹脂和蓋玻片進行封片操作,置于電子顯微鏡下觀察和拍攝(200×和400×)。
1.2.4.2 Western blotting法檢測VEGF、HIF-1α和COX-2的水平 剪取0.1 g腫瘤組織加入到含有預冷的混合裂解液(RIPA:PMSF=100:1)的EP管中,使用研磨儀進行組織勻漿,靜置30 min。將勻漿液進行離心(12000 r/min,15 min),取上清,按BCA試劑盒說明書進行蛋白濃度測定。取每組等蛋白量的樣品進行電泳和封閉后,加入VEGF、HIF-1α和COX-2一抗(1:1000),4 ℃孵育過夜。次日,回收一抗,用含0.5 %TBST的磷酸鹽緩沖液洗滌后,分別加入二抗(1:3000),室溫孵育2 h。回收二抗并洗滌后,使用ECL試劑盒在發光成像系統中顯影成像,對條帶進行拍攝記錄。具體操作參考WANG等[14]的方法。GAPDH作為內參蛋白。后續使用Image J軟件對條帶進行定量分析。
1.2.4.3 VEGF、HIF-1α和COX-2的免疫組化檢測
將附載腫瘤組織的載玻片放置烘箱內60 ℃烘烤2 h后進行脫蠟,用檸檬酸緩沖液進行抗原修復和3%過氧化氫消除內源性過氧化酶。按免疫組化試劑盒說明書要求對組織進行封閉,后孵育一抗VEGF、HIF-1α和COX-2(1:200),4 ℃孵育過夜。次日孵育相應的二抗以及辣根素酶試劑。DAB顯色液避光顯色,蘇木素復染,再進行乙醇梯度濃度脫水,使用中性樹膠和蓋玻片進行封片。將載玻片置于電子顯微鏡下觀察拍攝。具體操作參考ZONG等[15]的方法。使用Image J軟件對相關蛋白的陽性表達進行分析。
1.2.4.4 巨噬細胞分型的免疫熒光法檢測 將附載腫瘤組織的載玻片放置于烘箱內60 ℃烘烤2 h后,進行脫蠟和脫水操作,再使用檸檬酸緩沖液進行抗原修復和3%過氧化氫室溫孵育30 min消除內源性過氧化酶。室溫封閉1 h后,滴加一抗iNOS和CD206(1:200),4 ℃孵育過夜。次日滴加相應的二抗,避光孵育2 h。洗滌后滴加DAPI對細胞核染色,室溫孵育3 min。避光條件下滴加抗熒光猝滅劑覆蓋蓋玻片,將樣品置于激光共聚焦顯微鏡下觀察和拍攝。具體操作參考ZONG等[15]的方法。使用ZEM軟件對組織上相關蛋白的表達進行統計分析。
使用SPSS 25.0數據分析軟件對實驗結果進行統計分析,采用Graph Pad Prism 8.0對實驗結果作圖。組間差異比較采用單因素方差分析,當組間兩兩比較,方差齊則采用LSD檢驗,方差不齊則采用DunnettT檢驗。P<0.05被認為差異具有統計學意義。
實驗于第23 d結束,實驗期間通過記錄小鼠體重以及腫瘤體積的變化,反映小鼠狀態的變化。實驗結束后剖取小鼠體內腫瘤進行稱量和拍照記錄,可直觀反映腫瘤的生長狀況。與實驗第1 d各組小鼠的平均體重相比,各組小鼠第23 d的平均體重均發生下降,但差異無統計學意義(P>0.05;圖2A所示)。此外,隨著實驗的進行,各組動物平均腫瘤體積逐步增加。與對照組相比,5-FU組、EEMO組和CDMO組的腫瘤體積生長速度減緩(P<0.05;圖2B所示)。剖取動物皮下的腫瘤,直觀可見對照組腫瘤體積最大,各給藥的腫瘤大小比對照組小;與對照組相比,5-FU(P<0.05)、EEMO(P<0.01)和CDMO(P<0.01)均能顯著降低腫瘤重量;與5-FU組相比,EEMO和CDMO均能使腫瘤質量下降,但差異沒有統計學意義(圖2C和圖2D所示)。結果表明,EEMO和CDMO能干預小鼠體內移植瘤的生長進程,降低腫瘤的生長速度,同時兩者對腫瘤生長的抑制作用與5-FU相當。

圖2 巴戟天對裸鼠HCT-116移植瘤的抑制情況Fig.2 Inhibitive effect of MO on HCT-116 xenograft tumor in mice
對移植瘤進行病理分析,觀察EEMO和CDMO對腫瘤造成的病理學改變,可為進一步深入研究提供方向。從腫瘤病理結果可得,對照組腫瘤細胞生長狀態良好,腫瘤細胞致密,腫瘤邊緣有較多血管生成(黑色箭頭所示)。與對照組相比,陽性藥5-FU組、EEMO組和CDMO組動物的腫瘤生長狀態良好,細胞較致密,但出現腫瘤細胞壞死區域,伴有輕微血管生成增加,且出現核碎裂(圖3所示)。綜合各組的病理學結果,可表明5-FU、EEMO和CDMO可能通過抑制腫瘤血管生成,從而抑制腫瘤生長進程,發揮抗腫瘤的作用。

圖3 巴戟天對HCT-116移植瘤病理學的影響Fig.3 Effects of MO on pathological changes on HCT-116 xenograft tumor
VEGF是一種高度特異性的促進血管內皮細胞生長因子,對血管內皮細胞的增殖以及血管的生長有促進作用[16]。由檢測結果可得,與對照組相比,5-FU(P<0.05)、EEMO(P<0.01)和CDMO(P<0.01)均能降低腫瘤VEGF表達量,差異具有統計學意義(圖4A和圖4B所示)。同時,免疫組化的結果顯示,與對照組相比,5-FU(P<0.01)、EEMO(P<0.01)和CDMO(P<0.01)均能極顯著下調腫瘤中VEGF的陽性表達(圖4C和圖4D所示)。此外,與5-FU組相比,EEMO組和CDMO組的VEGF表達均有下降,但差異無統計學意義(P>0.05)(圖4C和圖4D所示)。綜合VEGF的檢測結果,說明巴戟天可通過下調腫瘤VEGF的表達,發揮抗腫瘤血管生成的作用;該結果與病理組織檢測結果相一致。

圖4 巴戟天對HCT-116移植瘤組織VEGF表達的影響Fig.4 The effects of MO on the expression of VEGF in HCT-116 xenograft tumor
腫瘤相關巨噬細胞是浸潤腫瘤組織的主要細胞群,其不同的分型(M1型巨噬細胞和M2型巨噬細)對腫瘤的發生發展進程有不同的作用[17]。其中,當腫瘤相關巨噬細胞分型趨向M1型巨噬細胞,表現為腫瘤殺傷和腫瘤血管抑制的作用;當巨噬細胞分型趨向M2型巨噬細胞,表現為腫瘤血管增生,促進腫瘤生長的作用[18]。免疫熒光的結果顯示,與對照組相比,5-FU組、EEMO組和CDMO組腫瘤的M2型巨噬細胞標記物CD206表達水平有所下降,但是差異無統計學意義(P>0.05)(圖5B所示)。與對照相比,5-FU組(P<0.01)、EEMO組(P<0.01)和CDMO組(P<0.01)移植瘤組織的M1型巨噬細胞標記物iNOS表達水平極顯著上調(圖5C所示)。將同一樣本的iNOS熒光強度與CD206熒光強度作比值,統計分析可得5-FU組(P<0.01)、EEMO組(P<0.01)和CDMO組(P<0.01)的iNOS/CD206值與對照組相比極顯著升高(圖5D所示)。其中,與5-FU組相比,EEMO和CDMO均能提升iNOS/CD206值,但差異無統計學意義(P>0.05)。由此可得,經EEMO和CDMO藥物干預后,M1型巨噬細胞的分化比例升高,腫瘤相關巨噬細胞的分化趨勢偏向于M1型巨噬細胞,從而能夠解釋腫瘤血管生成減少。

圖5 巴戟天對HCT-116移植瘤巨噬細胞極化的影響Fig.5 The suppression of MO on macrophages polarization in HCT-116 xenograft tumor
HIF-1α作為腫瘤微環境中的重要調節因子,可調節下游轉錄因子,促進腫瘤對腫瘤微環境的適應[19]。COX-2作為HIF-1α調節的下游轉錄因子,可提高PGE2的表達,介導炎癥的發生發展和腫瘤血管的生成,對腫瘤細胞的增殖有促進的作用[20]。免疫組化檢測結果表明,與對照組相比,5-FU組(P<0.01)、EEMO組(P<0.05)和CDMO組(P<0.05)的HIF-1α表達水平下降,差異具有統計學意義(圖6A和圖6C所示)。同時,與對照組相比,5-FU(P<0.01)、EEMO(P<0.01)和CDMO(P<0.01)均能極顯著下調腫瘤COX-2的陽性表達(圖6B和圖6D所示)。結果說明EEMO和CDMO對腫瘤血管生成的影響可能與調節HIF-1α和COX-2的表達有關。

圖6 巴戟天對HCT-116移植瘤HIF-1α和COX-2表達的影響Fig.6 The suppression of MO on expression of HIF-1α and COX-2 in HCT-116 xenograft tumor
COX-2/PGE2是經典的炎癥信號通路。在腫瘤微環境中,COX-2/PGE2通路可刺激腫瘤細胞的生長和腫瘤血管的生成,從而加快腫瘤形成的進程[21]。對HIF-1α和COX-2/PGE2信號通路的表達做進一步做定量分析。從結果分析可得,與對照組相比,5-FU組(P<0.01)、EEMO(P<0.01)組和CDMO組(P<0.01)的HIF-1α和COX-2的蛋白表達量極顯著下降(圖7B和圖7C所示)。此外,與對照組相比,5-FU組(P<0.01)、EEMO組(P<0.01)和CDMO(P<0.05)組腫瘤PGE2含量均下調(P<0.05)(圖7D所示),差異具有統計學意義。檢測結果進一步說明巴戟天可能是通過下調HIF-1α的表達,進而下調下游關鍵影響因子COX-2的表達,減少PGE2的分泌,達到抑制腫瘤細胞和腫瘤血管生成的作用。

圖7 巴戟天對HCT-116移植瘤小鼠HIF-1α和COX-2/PGE2信號通路的影響Fig.7 Effects of MO on the expression of HIF-1α and COX-2/PGE2 signal pathways in HCT-116 xenograft tumor
結腸癌作為常見的惡性腫瘤之一,其腫瘤細胞的異常增殖和生長會造成瘤體缺氧的現象,促使腫瘤細胞繼續增長和轉移[22]。缺氧誘導因子-1α(Hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)作為細胞缺氧反應的關鍵調節劑,調節下游多種靶點,協助腫瘤細胞適應腫瘤缺氧微環境,影響腫瘤的生長和發展[23?24]。由實驗結果得知,巴戟天生藥及其醇提物可致腫瘤細胞壞死區域增加,伴有輕微血管生成增加,且腫瘤血管生成的相關蛋白VEGF表達在藥物干預后出現明顯下降,提示巴戟天生藥及其醇提物能夠抑制腫瘤血管新生,推測其可能具有抑制HIF-1α活性的作用。
已有研究證明,HIF-1α在多種惡性腫瘤中通過調控COX-2的啟動子,誘導COX-2生成[25?26]。COX-2參與腫瘤的惡性進程主要與催化花生四烯酸生成PGE2相關[27]。作為COX-2的關鍵催化產物,PGE2是一種與腫瘤發生發展密切相關的促炎介質[28?29]。HIF-1α和COX-2/PGE2信號通路的活化可抑制機體腫瘤免疫,加速腫瘤的惡性進程,促進腫瘤的發生發展[19?20]。目前,越來越多的研究結果證實HIF-1α和COX-2/PGE2可以干預腫瘤微環境血管新生和調節巨噬細胞的免疫抑制性[30?32]。在本研究中,巴戟天生藥及其醇提物可明顯抑制HIF-1α和COX-2/PGE2信號通路在腫瘤組織的陽性表達,且在蛋白水平方面也明顯受到抑制,提示巴戟天生藥及其醇提物可通過干預腫瘤細胞的HIF-1α表達,從而調控下游COX-2/PGE2信號通路的低表達,發揮對抗腫瘤的發生和發展。
腫瘤的形成與發展受多種因素的調控。巨噬細胞在腫瘤免疫抑制過程中充當重要的角色,并且通過不同的極化狀態影響著腫瘤的發生發展[17?18]。巨噬細胞的極化分為經典激活的巨噬細胞(即M1型巨噬細胞)和替代激活的巨噬細胞(即M2型巨噬細胞)。M1型巨噬細胞和M2型巨噬細胞分別具有腫瘤殺傷性和免疫抑制性,而在腫瘤微環境中巨噬細胞主要呈現M2型巨噬細胞的特征,即表現為促進腫瘤血管的增生[33?34],進而促進腫瘤的生長和發展。在本研究中,巴戟天生藥及其醇提物能夠誘導腫瘤組織中M1型巨噬細胞的比例升高。這說明巴戟天還可能通過調控巨噬細胞向M1型巨噬細胞極化發揮抑癌作用。除此之外,對比巴戟天生藥和巴戟天乙醇提取物兩者的藥效作用,盡管巴戟天乙醇提取物對腫瘤的發生發展干預作用比巴戟天生藥藥效略優,但二者之間的差距并無統計學意義。導致這種情況的發生可能是由于巴戟天乙醇提取物中的抗腫瘤成分與巴戟天生藥相比更加集中。對于巴戟天生藥和巴戟天乙醇提取物的比較需要更深入的實驗分析進行研究。同時,巴戟天作為藥食同源類中藥材,其保健功效已經得到初步的開發和探索,龍碧波[35]研究發現巴戟天可明顯改善負重游泳小鼠的疲勞指標,發揮抗疲勞作用;周月[36]發現巴戟天提取物聯合γ-氨基丁酸和茶氨酸對抑郁患者精神軀體癥狀和睡眠質量有積極的療效;石小瓊[37]團隊研究開發巴戟天為日常保健品和食品,如巴戟天口服液、巴戟天果脯和巴戟天果酒等。綜上所述,開發巴戟天成為保健品食品依然具有非常大的潛力和市場。
綜上,巴戟天可能通過抑制HIF-1α和COX-2/PGE2信號通路的活化,從而誘導巨噬細胞向M1型巨噬細胞極化,發揮抑制腫瘤血管新生的作用,從而影響結直腸癌移植瘤的發生和發展。