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MTHFD2對腦膠質母細胞瘤細胞生長和轉移的作用和機制研究

2025-05-20 00:00:00張亮李菲張凌雪蔣小兵趙海康
臨床神經外科雜志 2025年2期
關鍵詞:水平實驗檢測

【中圖分類號】R739.41【文獻標志碼】A【文章編號】1672-7770(2025)02-0166-08

Abstract: Objective To explore the effects methylenetetrahydrolate dehydrogenase 2 (MTHFD2) on the growth and metastasis glioblastoma(GBM) cells and its mechanism. Methods The expression level MTHFD2 in GBM tissues and normal tissues was analyzed by interactive gene expression prile analysis database(GEPIA). U87 MG cells were divided into control group, si-NC group and si-MTHFD2 group. The changes glycolysis and oxidative stress, as well as cell proliferation, apoptosis, migration and invasion were detected in each group. Xenotransplantation model nude mice was established and divided into sh-NC group and sh-MTHFD2 group. Tumor volume was measured and tumor growth curve was drawn. The expression levels MTHFD2 gene were detected by RT-qPCR, and the expression levels glycolysis key enzymes and epithelialmesenchymal transition marker proteins were detected by Western blot. Results GEPIA database analysis showed that MTHFD2 was highly expressed in GBM tissues ( ). Compared with normal NHA cells, the relative expression levels MTHFD2 mRNA and protein in U87 MG cells were increased ( ). Silence MTHFD2 inhibited the relative glucose intake and lactate production U87 MG cells, inhibited clone formation, cell proliferation activity, cell migration and invasion, and promoted the level oxidative stress and cell apoptosis.In the tumor formation experiment nude mice, silence MTHFD2 inhibited tumor growth. Conclusions MTHFD2 is a promoter malignant progression GBM. The silencing MTHFD2 expression can effctively inhibit cellular glycolysis stress, suppress cell proliferation, migration, invasion, and tumorigenesis in vivo, while also enhancing oxidative stress and apoptosis.

Key words: glioblastoma; methylenetetrahydrolate dehydrogenase 2; glycolysis; oxidativestress; proliferation and apoptosis; migration and invasion

膠質母細胞瘤(glioblastoma,GBM)起源于星形膠質細胞,是最具侵襲性和最常見的惡性原發性腦腫瘤,根據世界衛生組織分類,屬于高級別惡性膠質瘤(IV級)[1]。GBM這種高度侵襲性的癌癥臨床預后較差,總體5年的相對存活率在所有癌癥類型中非常低[2]。目前主要的治療方式包括手術切除、放療和化療治療,而免疫療法和靶向療法也是目前針對 GBM 的熱門療法,但臨床治療效果仍不理想[3]因此,研究GBM的生物學特性和病理進展機制,尋找抑制GBM生長和轉移的新機制和新視角,對于GBM的治療具有重要意義。

亞甲基四氫葉酸脫氫酶2(methylenetetrahydrolatedehydrogenase2,MTHFD2)是參與線粒體葉酸一碳代謝的重要酶類,在NADP(H)輔因子的再生和維持中發揮重要作用,以增強氧化還原防御并維持細胞快速生長的生物合成反應[。MTHFD2已被發現在各種癌組織和細胞中表達上調,相反,腫瘤中MTHFD2的缺失可能會抑制癌癥的惡性進展,并引發癌細胞死亡,因此推測MTHFD2過度表達會導致癌癥進展,且與侵襲性臨床病理參數、轉移和較短的生存期有關[]。MTHFD2在GBM中的作用和機制并未得到全面解析,本研究旨在從細胞水平解析MTHFD2在GBM細胞中的作用,以期為MTHFD2作為GBM臨床靶標藥物的研發提供可能的選擇。

1資料與方法

1.1實驗試劑葡萄糖含量檢測試劑盒、乳酸含量檢測試劑盒、丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量檢測試劑盒、超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)活性檢測試劑盒、谷胱甘肽過氧化物酶( glutathione peroxidase, )活性檢測試劑盒和Matrigel(基底膠)均購自北京索萊寶科技有限公司。CCK-8試劑盒和TUNEL細胞凋亡檢測試劑盒(紅色熒光)購自碧云天生物技術研究所。FastKing一步法RT-PCR試劑盒購自天根生化科技(北京)有限公司。MTHFD2引物、BCA法蛋白質濃度測定試劑盒和超靈敏增強型化學發光(enhancedchemiluminescence,ECL)試劑購自生工生物工程(上海)股份有限公司。戊巴比妥鈉購自美國SigmaAldrich公司。一抗MTHFD2、己糖激酶2(hexokinase2,HK2)、磷酸果糖激酶(phosphructokinase,PFK)、丙酮酸激酶同工酶2(pyruvatekinaseisoenzyme2,PKM2)、E-cadherin、N-cadherin和Vimentin購自美國CST公司。

1.2實驗細胞和組織人腦膠質母細胞瘤細胞系U87MG、U118MG、U251和LN229以及人正常膠質細胞系NHA均購自武漢普諾賽生命科技有限公司,均采用DMEM培養基(含 10% FBS和 1%P/S 雙抗)培養, 。GBM組織及其配對癌旁組織石蠟切片由陜西省腦疾病防治重點實驗室神經膠質瘤組織樣本庫提供,本研究經過西安醫學院第二附屬醫院醫學倫理委員會審批通過(審批號:X2Y2025022)。

1.3實驗動物6~8周齡雄性BALB/c-nu裸鼠,體質量 (20±2)g ,由西安醫學院提供[SYXK(陜) 。裸鼠飼養于屏障環境,條件設置為:溫度 ,濕度 50%±10% , 光暗循環,裸鼠給予自由進食和飲水。

1.4GEPIA數據庫分析MTHFD2在腫瘤組織中的表達采用基因表達譜交互分析數據庫(geneexpression priling interactive analysis,GEPIA)中ExpressionDIY-Boxplot模塊分析MTHFD2在GBM組織和正常組織中的表達水平。

1.5細胞分組和轉染采用RT-qPCR和Westernblot檢測U87MG、U118MG、U251、LN229和NHA細胞中MTHFD2的mRNA和蛋白的表達水平,最后選擇U87MG作為本研究的目標細胞。將U87MG細胞分為對照組、si-NC組和si-MTHFD2組,si-NC組細胞轉染si-NC,si-MTHFD2組細胞轉染si-MTHFD2,對照組不做轉染處理。轉染 后,采用RT-qPCR和 Western blot檢測 MTHFD2的mRNA和蛋白的表達水平以驗證轉染效率,穩定轉染的細胞用于后續實驗。

1.6葡萄糖和乳酸含量檢測實驗各組細胞轉接后繼續培養 ,收集各組細胞培養液,采用葡萄糖含量檢測試劑盒和乳酸含量檢測試劑盒分別檢測待測樣品的吸光度值(A值),以對照組為參照,歸一化轉換計算各組葡萄糖相對攝取量和乳酸相對生成量,葡萄糖相對攝取量或乳酸相對生成量

1.7氧化應激標志物水平檢測各組細胞轉接后繼續培養 ,收集各組細胞,磷酸鹽緩沖液(phosphatebuffersaline,PBS)洗滌2次后,采用RIPA裂解液處理細胞并提取總蛋白,二喹啉甲酸(bicinchoninicacid,BCA)法定量分析,按照試劑盒方法采用比色法檢測MDA含量和SOD、GSH- ?Px 活性。

1.8CM-H2DCFDA探針法檢測細胞ROS水平各組細胞按照 個/孔的密度轉接至6孔板后繼續培養 ,收集細胞,加入含CM-H2DCFDA探針( 5umol/L)的無血清培養基,輕柔混勻后 37℃避光孵育 ,采用激光共聚焦顯微鏡觀察和拍照,以對照組歸一化處理計算活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)相對表達量。

1.9CCK-8法檢測細胞增殖活力各組細胞按照 個/孔的密度轉接至96孔板后繼續培養,分別在培養24、48和 時加入10umu的CCK-8試劑,繼續培養 ,采用酶標儀檢測 處吸光度值(A值),按照24、48和 的采樣檢測時間點繪制細胞增殖曲線。

1.10平板克隆形成實驗檢測細胞克隆形成能力各組細胞按照 個/孔的密度轉接至6孔板,繼續培養14d,期間3d更換一次新鮮培養基,培養結束后去除上清,PBS輕柔洗滌2次,采用 4% 多聚甲醛固定處理 結晶紫染色處理 ,PBS輕柔洗滌2次,晾干后進行拍照和克隆計數。

1.11TUNEL染色檢測細胞凋亡各組細胞按照 個/孔的密度轉接至6孔板,培養 后加入胰酶消化處理 ,收集細胞并PBS洗滌2次,制作細胞涂片。采用TUNEL細胞凋亡檢測試劑盒進行染色檢測,采用熒光顯微鏡觀察并拍照,計算TUNEL陽性細胞率。

1.12劃痕實驗檢測細胞遷移各組細胞按照 1× 個/孔的密度轉接至6孔板,繼續培養至細胞匯合度至 90% 左右,采用滅菌的100uL 規格移液槍頭垂直培養基平面快速直線劃痕,PBS輕柔沖洗散落細胞,加人完全培養基,繼續培養 ,分別在 時間點拍照,測量劃痕寬度,計算劃痕愈合率 (%) 。

1.13Transwell實驗檢測細胞侵襲采用無血清培養基稀釋Matrigel基質膠后平鋪在Transwell小室上室,凝固后備用。采用無血清培養基制備細胞懸液( 個/mL),取200uL細胞懸液加人Transwell小室上室,另取600uL含血清的完全培養基加入Transwell小室下室,培養 。取出小室,采用 4% 多聚甲醛固定和 0.1% 結晶紫染色,光學顯微鏡下觀察、拍照和細胞計數。

1.14裸鼠成瘤實驗構建穩定轉染sh-NC和sh-MTHFD2的U87MG細胞,細胞密度調整為 個 /mL 。將裸鼠分為sh-NC組和sh-MTHFD2組,sh-NC組裸鼠于右腋下接種200uL轉染sh-NC的細胞懸液,sh-MTHFD2組裸鼠于右腋下接種200uL轉染sh-MTHFD2的細胞懸液,分別在接種后的第0、5、10、15、20和 檢測瘤體長徑和短徑,計算瘤體的體積,并繪制瘤體生長曲線。采用 3% 戊巴比妥鈉腹腔注射麻醉裸鼠后斷頭處死,采集瘤體組織,采用Westernblot檢測瘤體中MTHFD2蛋白表達水平。

1.15RT-qPCR檢測MTHFD2基因表達水平收集U87MG、U118MG、U251、LN229和NHA細胞以及各組細胞培養物,采用Trizol試劑按照試劑盒方法提取總RNA。以總RNA為模板,按照試劑盒方法進行逆轉錄產生cDNA,然后進行PCR反應。PCR反應條件: ,共40個循環。PCR產物采用瓊脂糖凝膠電泳分析,以 法計算MTHFD2基因相對表達水平,以GAPDH作為內參。MTHFD2:F: -TGGCTGCGA-CTTCTCTAATG -CCTTCCAGAAATGACAAC-AGC 0

1.16Westernblot檢測蛋白表達水平收集U87MG、U118MG、U251、LN229和NHA細胞以及各組細胞培養物或瘤體組織,加人RIPA細胞裂解液處理后按照試劑盒方法提取總蛋白,BCA法定量分析。采用 10% SDS-PAGE電泳分離蛋白,經過轉膜和封閉處理,加入按比例稀釋 )的一抗MTHFD2、HK2、PFK、PKM2、E-cadherin、N-cadherin和Vimentin,然后 孵育過夜,加人稀釋后的二抗(1:5000)室溫下孵育1h,采用超靈敏ECL試劑顯示,曝光后拍照,采用ImagePro軟件分析蛋白灰度值,以GAPDH為內參,以對照組為歸一化計算各蛋白的相對表達水平。

1.17免疫組織化學染色檢測MTHFD2表達GBM組織及其配對癌旁組織石蠟切片經過二甲苯浸泡和梯度濃度乙醇依次脫蠟處理,再經抗原修復液煮沸熱處理修復抗原。切片洗滌后加入兔血清封閉液,室溫下孵育 ,洗滌切片后再加入一抗MTHFD2(1:500)室溫孵育 ,洗滌切片后加入二抗室溫孵育 。切片洗滌后晾干,依次經過顯色、復染、脫水和固定處理后封片,采用光學顯微鏡觀察并拍照。

1.18統計學分析本研究細胞實驗均設置3個重復,采用GraphPadPrism8軟件分析數據,多組間比較采用單因素方差分析法,繼續兩兩比較采用LSD- 檢驗法,以 表示差異具有統計學意義。

2結果

2.1MTHFD2在GBM組織和細胞中高表達為了探究MTHFD2在GBM組織中的表達水平,本研究通過GEPIA數據庫進行表達水平分析,結果顯示MTHFD2在GBM組織中高表達( 。進一步通過臨床樣本免疫組化染色分析驗證,結果顯示GBM組織中MTHFD2陽性表達率高于癌旁組織。為了從細胞水平探究MTHFD2在GBM中表達差異,本研究分別選擇了4種不同病理分級膠質瘤細胞系檢測MTHFD2的表達水平,結果顯示,與正常NHA細胞比較,U87MG、U118MG、U251和LN229細胞中MTHFD2的mRNA和蛋白相對表達水平均升高( ),其中U87MG細胞最為顯著。這些結果表明,MTHFD2在GBM組織和細胞中高表達,后續選擇U87MG作為實驗目標細胞。見圖1。

A:GEPIA數據庫分析MTHFD2在GBM組織中的表達,與正常組織比較, B,C:GBM 細胞系中MTHFD2mRNA和蛋白表達水平分析,與NHA細胞比較, ;D:癌旁組織和GBM 組織中 MTHFD2免疫組織化學染色檢測, ×20 ,標尺50um圖1MTHFD2在GBM組織和細胞中的表達分析

2.2沉默MTHFD2抑制GBM細胞糖酵解水平為了探究MTHFD2對GBM細胞糖酵解水平的影響,本研究對MTHFD2進行沉默表達處理,然后分別檢測了各組細胞葡萄糖相對攝取和乳酸生成量,以及糖酵解關鍵酶的表達水平變化。結果顯示,與對照組或si-NC組比較,si-MTHFD2組MTHFD2的mRNA和蛋白表達水平、葡萄糖相對攝取量和乳酸相對生成量均降低( ),糖酵解過程中的關鍵酶HK2、PFK和PKM2蛋白相對表達水平均降低( Plt;0.05) 。這些結果表明,沉默MTHFD2可以抑制GBM細胞的糖酵解水平。見圖2-4。

2.3沉默MTHFD2促進GBM細胞氧化應激水平為了探究MTHFD2對GBM細胞氧化應激水平的影響,本研究對MTHFD2進行沉默表達處理,并分別檢測了各組細胞中氧化損傷標志物MDA、ROS和抗氧化標志物SOD和GSH- ?Px 的變化。結果顯示,與對照組或si-NC組比較,si-MTHFD2組MDA和ROS水平均升高( ),SOD和GSH- ?Px 水平均降低( )。這些結果表明,沉默MTHFD2可以提高GBM細胞的氧化應激水平。見圖5。

與對照組比較, ;與si-NC組比較, 圖3MTHFD2對GBM細胞糖酵解水平的影響

2.4沉默MTHFD2抑制GBM細胞增殖為了探究MTHFD2對GBM細胞增殖的影響,本研究對MTHFD2進行沉默表達處理,采用平板克隆實驗檢測各組GBM細胞克隆形成數,CCK-8法檢測GBM細胞增殖活力。結果顯示,與對照組或si-NC組比較,si-MTHFD2組細胞克隆數量和細胞增殖活力均降低( )。這些結果表明,沉默MTHFD2可以抑制GBM細胞的增殖。見圖6。

2.5沉默MTHFD2促進GBM細胞凋亡為了探究MTHFD2對GBM細胞凋亡的影響,本研究對MTHFD2進行沉默表達處理,采用TUNEL染色檢測各組GBM細胞凋亡水平,紅色熒光表示TUNEL陽性細胞。結果顯示,與對照組或si-NC組比較,si-MTHFD2組細胞TUNEL陽性率均升高( 。該結果表明,沉默MTHFD2可以促進GBM細胞的凋亡。見圖7。

A、B:平板克隆實驗檢測細胞克隆形成能力;C:CCK-8實驗檢測細胞增殖活力;與對照組比較, ;與si-NC組比較, 圖6MTHFD2對GBM細胞增殖的影響
與對照組比較, ;與si-NC組比較, 圖7MTHFD2對GBM細胞凋亡的影響

2.6沉默MTHFD2抑制GBM細胞遷移和侵襲為了探究MTHFD2對GBM細胞遷移和侵襲的影響,本研究對MTHFD2進行沉默表達處理,采用劃痕實驗和Transwell實驗檢測各組GBM細胞遷移和侵襲能力變化,并分析與細胞遷移相關的上皮間質轉化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)蛋白表達水平變化。結果顯示,與對照組或si-NC組比較,si-MTHFD2組細胞劃痕愈合率、侵襲細胞數量和N-cadherin、Vimentin蛋白相對表達水平均降低( Plt; 0.05),E-cadherin蛋白相對表達水平升高( 0.05)。這些結果表明,沉默MTHFD2可以抑制GBM細胞的遷移和侵襲。見圖8、圖9。

A、B:細胞劃痕愈合實驗檢測細胞遷移能力;C、D:Transwell實驗檢測細胞侵襲能力;與對照組比較, ;與si-NC組比較, 圖8MTHFD2對GBM細胞遷移和侵襲的影響

2.7沉默MTHFD2抑制GBM細胞體內成瘤能力為了探究MTHFD2對GBM細胞體內異位成瘤的影響,本研究將MTHFD2沉默表達處理的GBM細胞接種至裸鼠皮下,并實時監測體內瘤體生長狀況。結果顯示,與sh-NC組比較,sh-MTHFD2組裸鼠瘤體體積降低( ),MTHFD2的mRNA和蛋白表達水平均降低 (Plt;0.05) 。該結果表明,沉默MTHFD2可以抑制GBM細胞在裸鼠體內異位成瘤能力。見圖10。

與sh-NC組比較,圖10MTHFD2對GBM細胞體內成瘤能力的影響

3討論

GBM目前仍然是最具侵襲性和無法完全治愈的惡性腫瘤之一,約占所有腦瘤病例的 50% ,診斷為GBM的患者在接受手術切除和化療/放療后幾乎都會復發9。目前,GBM的標準治療包括手術切除、放射治療和替莫唑胺化療,目前已批準了4種藥物應用于GBM的治療[1],但GBM患者的預后仍然不盡如人意。因此,基于GBM發病和進展機制開發有效的靶標藥物和方法,是有效治療GBM的重要方向。

癌細胞必須加速吸收葡萄糖、氨基酸和脂質才能支持細胞快速增殖所需要的物質和能量[\"],在GBM中,代謝經過修飾可滿足腫瘤發展、侵襲和耐藥性的產生所需要的各種生物能需求[12],其中涉及糖酵解、氧化磷酸化以及一碳葉酸代謝等多種代謝途徑[13]。MTHFD2 是參與線粒體葉酸一碳代謝的重要酶,發揮脫氫酶和環水解酶的雙重作用,它可以催化底物生成還原型輔酶Ⅱ,從而參與多種生物過程[14]。代謝組學分析表明,MTHFD2 耗盡會抑制中心碳代謝途徑,包括糖酵解、磷酸戊糖途徑和三羧酸循環[8]。研究表明,糖酵解在GBM的腫瘤進展、侵襲、血管生成以及對化療和放療的抵抗中發揮著重要作用,同時其還具備調節炎癥和免疫反應的作用[15]。本研究通過在GBM細胞中沉默MTHFD2表達發現GBM細胞的葡萄糖攝取能力和乳酸生成能力均降低,且糖酵解過程中的關鍵酶HK2、PFK、PKM2的表達水平也降低,這表明MTHFD2表達的下調抑制了GBM細胞的糖酵解能力,降低了GBM細胞對葡萄糖的攝取和利用,抑制了GBM細胞的正常增殖。越來越多的證據表明,維持ROS穩態對于癌細胞生長和存活都至關重要,癌細胞通過ROS清除系統消除ROS來抵消ROS的積累,從而維持ROS穩態,這在很大程度上也取決于還原型輔酶Ⅱ的產生[];另一方面,細胞內過量ROS的產生會消耗并降低SOD和GSH- ?Px 等抗氧化因子的水平,并產生對細胞具有毒性的產物MDA,最終損傷細胞。本研究發現沉默MTHFD2表達后,GBM細胞中氧化損傷物MDA和ROS水平均升高,這表明MTHFD2表達的下調打破了GBM細胞中氧化應激反應平衡,促進了ROS清除水平,加速了細胞損傷和凋亡。

研究表明,MTHFD2在多種類型的癌癥組織中表達上調,促進癌細胞生長和轉移,并與較差的預后相關,最近的研究開發了同工酶MTHFD2和MTHFD1的小分子抑制劑,已顯示出作為抗癌藥物的良好前景[17]。Zhu 等[18]通過分析公共數據庫和臨床標本發現MTHFD2在神經膠質瘤中表達豐富;Tanaka等[19研究表明,當谷氨酰胺剝奪時,MTHFD2基因的表達和自噬均會受到抑制,進而導致神經膠質瘤細胞的生長抑制。與以上研究一致,本研究通過GEPIA數據庫和臨床標本檢測發現MTHFD2在GBM組織和細胞中均高表達。Lai等[20]研究了單細胞RNA-seq數據集和癌癥基因組圖譜-多形性膠質母細胞瘤(TCGA-GBM)數據集,篩選得出MTHFD2是影響GBM患者預后的不良風險因素。Kaluzinska等[21]通過RNA-seq數據集成數據庫和微陣列數據驗證所獲得的結果,發現MTHFD2作為代謝因素影響GBM的惡性表型。本研究通過在GBM細胞中沉默MTHFD2表達,結果發現GBM細胞的增殖、侵襲和遷移能力均受到抑制,且促進癌細胞侵襲的EMT水平降低,并促進了GBM細胞凋亡;將MTHFD2沉默表達的GBM細胞對裸鼠進行異位移植,結果發現裸鼠異位體內成瘤能力降低;這些結果均表明,下調MTHFD2表達能夠抑制GBM細胞的惡性生物學行為。

綜上所述,MTHFD2在GBM組織和細胞中高表達,是GBM惡性進展的促進因子,而沉默MTHFD2表達可以抑制細胞糖酵解水平,并抑制細胞增殖、遷移、侵襲和體內成瘤,促進細胞內氧化應激水平和細胞凋亡。這預示著MTHFD2可能是GBM臨床治療潛在的靶標。在未來的研究中,也將進一步進行GBM細胞腦內原位移植實驗,驗證MTHFD2對GBM惡性進展的調控作用。

利益沖突:所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明:張亮負責研究方案的設計和實施、論文的撰寫;李菲參與研究方案的設計、數據整理和分析;張凌雪參與研究方案的實施;蔣小兵負責數據收集、整理和分析,論文修改;趙海康負責研究方案的指導設計、數據審核和論文審閱。

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(收稿2025-02-03修同2025-02-25)

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