目的:近年来,新兴的化学生物学学科发展非常迅猛。该学科利用现有的数量庞大而且化学结构多样的小分子化合物库,针对研究者所需要的化合物的生物活性进行筛选,并以此为依据进行相关的作用机制研究。本研究所选药物为小白菊内酯和大黄素,二者是从天然植物中提取的小分子化合物。其生物活性均具有明显的抗癌作用,尤其是肠腺癌,近年来的研究逐渐增多。因此,延续我们前期对小白菊内酯和大黄素抗肠腺癌生物活性的研究,本课题采用体外实验的方式,对小白菊内酯诱导HCT-8/VCR细胞凋亡和耐药逆转作用机制靶点,以及大黄素诱导CACO-2细胞凋亡和调控PI3K/AKT信号通路的作用机制靶点进行了相关研究。通过对小白菊内酯和大黄素抗癌活性及作用机制的研究,为天然植物药物来源的小分子化合物抗癌作用提供基础,为天然植物药物用于临床肿瘤的治疗开拓市场。后续,我们将针对前期的研究成果,对两种小分子化合物的生物活性与其结构的相关性进行分析,对于不理想的结构进行修饰,为新的抗癌小分子药物的研发做出贡献。研究方法:一、小白菊内酯诱导HCT-8/VCR细胞凋亡和耐药逆转作用研究1、MTT法检测PTL对HCT-8、HCT-8/VCR细胞的增殖抑制作用培养结肠癌细胞株HCT-8、HCT-8/VCR细胞株,加入96孔板,实验组加入不同浓度的PTL,对照组则加等量不含药物的培养液,处理12、24、48小时后,MTT法检测各孔吸光度(OD)值,计算细胞增殖抑制率。2、流式细胞仪(Annexin V-FITC/PI染色)检测PTL对HCT-8、HCT-8/VCR细胞凋亡的影响。消化收集对照组、PTL5μmol/L、10μmol/L、20μmol/L处理24h的HCT-8、HCT-8/VCR细胞,AnnexinV/FITC染色后,流式细胞仪检测,分析细胞凋亡百分比。3、吖啶橙(AO)/溴化乙锭(EB)荧光染色检测PTL对HCT-8、HCT-8/VCR细胞凋亡的影响。取对数生长期HCT-8、HCT-8/VCR细胞,每孔1×10~4个/ml、2ml接种于6孔板中,孔内放入盖玻片。设小白菊内酯浓度5μmol/L、10μmol/L、20μmol/L、及对照组共4组,每组3个复孔,每组给药24h后,取出盖玻片,固定、AO/EB染色、、封片,荧光显微镜观察,每组分别计数,每次计数细胞300个,计算凋亡率。4、Western-blot法检测PTL对HCT-8、HCT-8/VCR细胞Bax、Bcl-2、蛋白表达的影响。收集对照组、PTL5μmol/L、10μmol/L、20μmol/L处理24h的HCT-8、HCT-8/VCR细胞蛋白,用western blot方法检测Bax、Bcl-2蛋白的表达。5、MTT法检测PTL对HCT-8/VCR的耐药逆转作用(1)取对数生长期HCT-8、HCT-8/VCR细胞,加入96孔板,分别加入不同浓度的VCR,处理24小时后,MTT法检测HCT-8、HCT-8/VCR细胞VCR的半数抑制浓度,及HCT-8/VCR对VCR的耐药指数。(2)取对数生长期HCT-8/VCR细胞,加入96孔板,分别设对照组、PTL5μmol/L、VCR(0.25、0.5、1、2、4、6、10μg/ml)、PTL5μmol/L+VCR各浓度组,处理24小时后,MTT法检测PTL对HCT-8/VCR的耐药逆转作用。6、流式细胞仪(Annexin V-FITC/PI染色)检测PTL对HCT-8/VCR的耐药逆转作用。消化收集对照组、PTL5μmol/L、VCR2μg/ml、PTL5μmol/L+VCR2μg/ml处理24h的HCT-8/VCR细胞,AnnexinV/FITC染色后,流式细胞仪检测,分析细胞凋亡百分比。7、Western-blot法检测PTL对HCT-8/VCR细胞P-gp、MRP、GST-π蛋白表达的影响。收集HCT-8对照组、HCT-8/VCR对照组、PTL5μmol/L、10μmol/L、20μmol/L处理24h的HCT-8/VCR细胞蛋白,用western blot方法检测P-gp、MRP、GST-π蛋白的表达。二、大黄素诱导CACO-2细胞凋亡及对PI3K/AKT信号通路的调控作用研究1、MTT法检测大黄素对CACO-2细胞增殖抑制的影响对数生长期的CACO-2细胞,加入96孔板,实验组加入不同浓度的PTL,对照组则加等量不含药物的培养液,处理24小时后,MTT法检测各孔吸光度(OD)值,计算细胞增殖抑制率。2、流式细胞术检测大黄素对CACO-2细胞凋亡的影响。消化收集对数生长期的CACO-2细胞,以大黄素处理CACO-2细胞24h,终浓度分别为0μmol/L、15μmol/L、30μmol/L和60μmol/L,然后以AnnexinV/FITC染色,流式细胞仪检测,分析细胞凋亡百分比。3、DAPI染色检测大黄素对CACO-2细胞凋亡的影响取对数生长期CACO-2细胞,每孔1×104个/ml、2ml接种于6孔板中,孔内放入盖玻片。设大黄素浓度15μmol/L、30μmol/L和60μmol/L、及对照组共4组,每组3个复孔,,每组给药24h后,取出盖玻片,固定、DAPI染色、碳酸盐缓冲甘油封片,荧光显微镜观察,激发波长为359 nm。观察细胞凋亡情况。4、流式细胞术检测大黄素对CACO-2细胞周期的影响取对数生长期的CACO-2细胞,用RPMI-1640完全培养基制成2×104个/m1的单细胞悬液,接种于6孔培养板中,每孔2ml,37℃培养12小时,更换培养液,加入药物。大黄素物终浓度分别为0μmol/L、15μmol/L、30μmol/L和60μmol/L;对照组为加入完全培养基组,空白对照为只加入完全培养基,置培养箱中培养24h后,用胰酶消化细胞,调整细胞浓度为1x106个/ml,取0.25ml细胞,PBS清洗,1000rpm,4℃离心5分钟,弃上清(重复两次);将细胞重悬于0.25ml结合缓冲液中,取0.1ml细胞悬液置于5ml流式管中,加入PI 20ul至终浓度50ug/ml,锡箔纸包住,避光4度染色30min,24h内上机检测。用流式细胞仪进行细胞周期检测,重复实验3次。5、Western-blot法检测大黄素对CACO-2细胞Bax、Bcl-2、PI3K、p-PI3K、AKT、p-AKT蛋白表达的影响收集对照组、15μmol/L、30μmol/L和60μmol/L大黄素处理24h的CACO-2细胞蛋白,用western blot方法检测Bax、Bcl-2蛋白的表达。结果:1、PTL对HCT-8、HCT-8/VCR细胞的增殖抑制作用小白菊内酯对结肠癌HCT-8、HCT-8/VCR细胞株有增殖抑制作用,并呈浓度及时间依赖关系,PTL12h半数抑制浓度IC50分别为20.21±2.63μmol/L,21.52±3.25μmol/L。PTL24h半数抑制浓度IC50分别为15.46±1.22μmol/L,17.05±2.78μmol/L。PTL48h半数抑制浓度IC50分别为11.44±1.65μmol/L,10.85±2.02μmol/L。2、PTL对HCT-8、HCT-8/VCR细胞凋亡的影响。对照组HCT-8细胞凋亡率4.23%±0.75%,与对照组比较,经5、10、20μmol/L的PTL处理24h后,HCT-8细胞的凋亡率显著增加(p<0.05),分别为8.23%±1.45%,22.46%±2.75%,38.16%±3.25%。对照组HCT-8/VCR细胞凋亡率4.42%±1.16%,与对照组比较,经5、10、20μmol/L的PTL处理24h后,HCT-8/VCR细胞的凋亡率显著增加(p<0.05),分别为8.43%±0.95%,21.67%±3.53%,39.16%±3.51%。上述结果表明PTL以浓度依赖方式诱导HCT-8、HCT-8/VCR细胞凋亡。3、荧光染色检测PTL对HCT-8、HCT-8/VCR细胞凋亡的影响荧光染色结果显示,PTL以浓度依赖方式诱导HCT-8、HCT-8/VCR细胞凋亡。对照组HCT-8细胞凋亡细胞比率为10.33%±2.05%,与对照组比较,经5、10、20μmol/L的PTL处理24h后,HCT-8细胞的凋亡率显著增加(p<0.05),分别为20.55%±3.55%,32.46%±3.76%,46.8%±4.28%。对照组HCT-8/VCR细胞凋亡细胞比率9.42%±1.25%,与对照组比较,经5、10、20μmol/L的PTL处理24h后,HCT-8/VCR细胞的凋亡率显著增加(p<0.05),分别为18.66%±2.15%,30.65%±2.87%,45.44%±3.81%。4、Western-blot法检测PTL对HCT-8、HCT-8/VCR细胞Bax、Bcl-2蛋白表达的影响。对照组HCT-8、HCT-8/VCR细胞可见Bax低表达,与对照组比较,PTL 5μmol/L、10μmol/L、20μmol/L组Bax表达显著增加(p<0.05)。对照组HCT-8、HCT-8/VCR细胞可见Bcl-2高表达,与对照组比较,PTL 5μmol/L、10μmol/L、20μmol/L组Bax表达显著减少(p<0.05)。上述结果表明,PTL通过以浓度依赖方式增加HCT-8、HCT-8/VCR细胞Bax的表达,降低Bcl-2的表达,诱导HCT-8、HCT-8/VCR细胞凋亡。5、MTT法检测PTL对HCT-8/VCR的耐药逆转作用(1)VCR对结肠癌HCT-8、HCT-8/VCR细胞株有增殖抑制作用(p<0.05),并呈浓度依赖关系(p<0.05),VCR半数抑制浓度IC50分别为2.21±0.24μg/ml、38.9±3.04μg/ml,HCT-8/VCR对VCR的耐药指数为17.6倍。(2)VCR0.25、0.5、1、2、4μg/ml对HCT-8/VCR细胞无显著增殖抑制作用(p>0.05),VCR 6、10μg/ml对HCT-8/VCR细胞有轻度增殖抑制作用(p<0.05),PTL5μmol/L与VCR(0.25、0.5、1、2、4、6、10μg/ml)联用可显著增加VCR对HCT-8/VCR细胞的增殖抑制作用(p<0.05)。联用后VCR IC50为3.01±0.45μg/ml,与VCR单独应用时比较,IC50显著降低(p<0.05),PTL可显著降低HCT-8/VCR对VCR的耐药指数(p<0.05)。上诉结果说明,PTL可显著增加显著增加VCR对HCT-8/VCR细胞的增殖抑制作用,逆转HCT-8/VCR的耐药。6、流式细胞仪(Annexin V-FITC/PI染色)检测PTL对HCT-8/VCR的耐药逆转作用。Annexin V-FITC/PI染色检测凋亡结果显示,对照组细胞凋亡率5.01%±0.47%,经VCR2μg/ml处理24h后,HCT-8/VCR细胞的凋亡率为6.93%±1.45%,与对照组比较,无显著差异(p>0.05),经PTL5μmol/L处理24h后,HCT-8/VCR细胞的凋亡率为10.02%±0.86%,与对照组比较,凋亡率显著增加(p<0.05),PTL5μmol/L+VCR2μg/ml处理24h的HCT-8/VCR细胞凋亡率为34.7%±2.33%,与VCR2μg/ml组及PTL5μmol/L组比较,凋亡率均显著性增加(p<0.05)。结果表明,PTL可显著增加VCR诱导HCT-8/VCR细胞凋亡能力,逆转HCT-8/VCR细胞对VCR的耐药。7、Western-blot法检测PTL对HCT-8/VCR细胞P-gp、MRP、GST-π蛋白表达的影响。western blot方法检测结果显示,HCT-8对照组可见P-gp、MRP、GST-π蛋白的低表达;与HCT-8对照组比较,HCT-8/VCR对照组P-gp、MRP、GST-π蛋白表达显著增加(p<0.05);与HCT-8对照组比较,HCT-8/VCR对照组PTL5μmol/L、10μmol/L、20μmol/L处理HCT-8/VCR细胞24h后,P-gp、MRP、GST-π蛋白表达显著减少(p<0.05),且PTL浓度越大蛋白表达越低。8、随着大黄素浓度的逐渐提高,CACO-2细胞生存率逐渐降低,至200μmol/L,细胞生存率几乎接近0。而大黄素对CACO-2细胞培养24h的IC 50值为30μmol/L。9、随着大黄素浓度的逐渐升高,CACO-2细胞凋亡率也随之升高,从对照组的1.85%,升至60μmol/L大黄素组的42.66%。大黄素对CACO-2细胞诱导凋亡的作用呈剂量依赖趋势。10、30μmol/L和60μmol/L的大黄素干预后,细胞核明显浓缩,染色加深,偶见核染色质呈新月形聚集于核膜一边。尤其是60μmol/L的大黄素干预后,凋亡细胞核碎裂成大小不等的圆形小体,并被细胞膜所包绕,疑似凋亡小体。11、对照组细胞大部分处于G0/G1期,为62.3%,处于S期33.7%,处于G2/M期4.0%;大黄素干预后,细胞周期在G2/M期明显发生停滞,该期细胞数显著增多。并且随着大黄素浓度的提高,停滞于G2/M期的细胞也逐渐增多。以60μmol/L的大黄素组G2/M细胞周期阻滞最为明显。12、对照组细胞Bax呈低水平表达,而随着大黄素浓度的增高,表达水平逐渐上调;Bcl-2表达水平与Bax正好相反,对照组细胞Bcl-2、p-PI3K和p-AKT呈高水平表达,随着大黄素浓度的增高,表达水平逐渐下调。而非磷酸化PI3K、AKT表达水平各组间无明显差异。结论:1、小白菊内酯对HCT-8、HCT-8/VCR细胞具有抑制增殖及诱导凋亡作用,小白菊内酯对结肠癌细胞增殖抑制及诱导凋亡作用不受HCT-8/VCR细胞耐药性的影响,小白菊内酯可通过增加Bax的表达,降低Bcl-2的表达来诱导结肠癌细胞凋亡。2、小白菊内酯可显著增加VCR对HCT-8/VCR细胞的增殖抑制能力及凋亡诱导能力,小白菊内酯对HCT-8/VCR细胞具有耐药逆转作用。其机制主要是通过PTL降低HCT-8/VCR细胞P-gp、MRP、GST-π蛋白的表达,逆转HCT-8/VCR细胞的耐药性。3、大黄素对CACO-2结肠癌细胞的生长具有明显的抑制作用。其抗癌作用主要是由于诱导细胞凋亡和细胞周期阻滞。此外,它还能抑制CACO-2细胞的PI3/AKT信号级联,提示大黄素在结肠癌治疗中的潜在应用。