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黄曲霉毒素(Aflatoxins, AF)是黄曲霉菌(Aspergillus flavus)等真菌产生的具有致癌作用真菌毒素,包括AFB1、B2、G1、G2和M1等。黄曲霉毒素G1 (Aflatoxin G1,AFG1)在我国胃癌、食管癌高发区居民饮食中的检出率很高,是当地粮食主要的污染真菌毒素。Ⅱ型肺泡上皮细胞(alveolar type II cell, AT-II)是肺泡上皮损伤修复的干细胞。外源性致癌因素如吸烟、粉尘、石英等作用于肺组织可引起AT-II损伤、修复和增生,在外源性致癌因素刺激长期反复作用下,AT-II细胞可发生癌变而导致肺癌发生。外源性致癌因素作用于靶细胞,直接和间接造成细胞损伤引起细胞结构和功能的改变是诱发癌变的重要基础。已有研究表明,多种外源性致癌因素诱发的实验动物肺腺癌均来源于AT-II。本研究室前期动物诱癌实验结果表明,AFG1具有致肺癌性,经口给予AFG1可诱发实验小鼠肺腺癌发生。目前有关AFG1诱发肺腺癌研究还局限于长期动物诱癌实验及AFG1诱发不同动物肺癌的验证方面,对AFG1诱发实验动物肺腺癌的组织来源尚缺乏研究,AFG1对实验动物肺组织及AT-II的短期影响也未见文献报道。为进一步探讨AFG1诱癌机制,研究AFG1诱发实验动物肺腺癌的组织学来源细胞类型,探讨AFG1对肺组织和AT-Ⅱ的影响及其可能机制。本研究在前期动物诱癌实验研究的基础上,分析了AFG1诱发肺腺癌组织AT-Ⅱ特异分化标志物SP-C和支气管无纤毛上皮细胞—Clara细胞特异分化标志物CC-10表达情况;观察了在整体水平和细胞水平上AFG1急性作用对大鼠肺组织和AT-II结构和功能的影响及其致损伤生物学效应,同时探讨了JNK信号转导通路在AFG1介导AT-II损伤中的作用。本研究论文共分为五个部分:1黄曲霉毒素G1诱发小鼠肺腺癌组织发生的研究目的:探讨长期经口给予AFG1诱发NIH小鼠肺腺癌的组织学来源以及AFG1长期作用对小鼠肺泡上皮细胞SP-C和PCNA蛋白表达的影响。方法:采用本实验室存档的AFG1长期灌胃NIH小鼠58周后存活小鼠肺组织取材石蜡包埋组织块标本24例作为研究对象,其中AFG1诱发的肺腺癌9例。以同期实验中灌喂生理盐水的12例NIH小鼠正常肺组织作为对照。采用免疫组化方法检测9例肺腺癌组织中SP-C、CC-10、P53和RasP21的表达情况。同时,采用免疫组化方法检测不同剂量AFG1长期灌胃组和对照组肺组织肺泡上皮细胞SP-C和PCNA蛋白的表达情况。结果:1.1实验性肺腺癌组织中SP-C和CC-10免疫组化染色结果免疫组化染色结果表明,所有9例AFG1诱发的肺腺癌组织SP-C均呈阳性表达,阳性率为100%,而CC-10均呈阴性表达。因此,本结果证实AFG1诱发的NIH小鼠实验性肺腺癌来源于AT-II。1.2实验性肺腺癌组织P53和Ras P21免疫组化染色结果实验性肺腺癌组织P53和Ras P21免疫组化染色结果发现本组9例肺腺癌组织均未见突变型P53和Ras P21在蛋白水平上的表达。1.3 AFG1长期灌胃对肺组织肺泡上皮细胞SP-C和PCNA蛋白表达的影响不同剂量AFG1处理组实验小鼠肺泡细胞SP-C阳性标记指数定量分析结果表明,AFG13μg·kg-1和AFG1 30μg·kg-1组动物肺脏SP-C阳性标记指数分别为31.63±5.51%和33.58±4.84%,明显高于对照组(19.72±1.92%,p<0.01),表明AFG1长期灌胃NIH小鼠可诱发AT-II细胞增生。AFG1小剂量组和大剂量组肺泡细胞PCNA标记指数明显高于对照组(p<0.01),进一步证明长期灌胃AFG1可明显增高NIH小鼠肺泡细胞的增殖活性。2支气管内给予黄曲霉毒素G1对大鼠肺组织的作用的研究目的:探讨一次性支气管内给予AFG1对大鼠肺组织的影响。方法:按30μg/kg body weight剂量经支气管一次性给予雄性SD大鼠AFG1处理。AFG1处理1、3、7和14d后,分别处死实验动物。部分大鼠支气管插管收集支气管-肺泡灌洗液(BALF),离心10min收集上清,采用生化法检测乳酸脱氢酶(LDH)和碱性磷酸酶(AKP)活力。分别切取实验大鼠肺组织进行如下研究工作:取1mm3大小的肺组织标本经2.5%戊二醛固定标本24h后,以扫描电镜方法观察大鼠肺组织超微结构变化;取部分肺组织4%多聚甲醛固定4h后,常规石蜡切片制备,采用原位杂交方法检测肺组织肿瘤坏死因子-α(TNF-α) mRNA的表达情况;取部分肺组织10%多聚甲醛固定,常规石蜡切片制备,按S-P法进行采用免疫组化方法检测核因子-κB(NF-κB)蛋白的表达;取部分肺组织用生理盐水制备成10%的肺匀浆,采用活性氧(ROS)测定法按相应试剂盒操作程序检测肺组中ROS(以H2O2为代表)含量。结果:2.1黄曲霉毒素G1对支气管-肺泡灌洗液上清中LDH和AKP的影响给予AFG1处理1、3和7d后,BALF上清中LDH和AKP酶活力明显升高,至d14时,LDH和AKP活力恢复至正常水平,提示从LDH和AKP酶活性的角度急性给予AFG1处理对大鼠肺组织具有致损伤作用,但随着毒素在体内代谢,其损伤作用具有可逆性。2.2黄曲霉毒素G1对大鼠肺组织影响的病理形态学观察结果光镜下观察发现对照组、溶剂对照组大鼠肺组织肺泡间隔较薄,无水肿、炎症及纤维组织增生,肺泡腔内未见炎性渗出。AFG1处理组肺泡壁可见炎性增厚,有淋巴细胞和巨噬细胞浸润,7和14d组还可见有纤维母细胞增生。扫描电镜观察可见,AFG1处理后肺泡壁增厚且粗细不均,肺泡腔表面细胞有隆起,细胞肿胀,Ⅱ型肺泡上皮细胞表面微绒毛变短、消失,病变以AFG1处理后7和14d为明显,证明支气管急性给予AFG1对大鼠肺组织超微结构具有致损伤作用。2.3黄曲霉毒素G1对大鼠肺组织TNF-αmRNA表达的影响原位杂交结果表明,AFG1处理后1、3、7和14d组肺泡细胞TNF-αmRNA阳性表达细胞数分别为22.1±4.0%,20.3±4.2%,32.3±4.2%和24.3±3.8%,明显高于相应溶剂对照组(1.2±0.3%,1.1±0.2%,1.3±0.4%和1.0±0.4%,p<0.01),提示AFG1急性作用后可激活处理大鼠肺组织TNF-αmRNA表达。2.4黄曲霉毒素G1对大鼠肺组织NF-κB蛋白表达的影响NF-κB免疫阳性反应定位于细胞浆,呈棕黄色染色颗粒,对照组、溶剂对照组和AFG1处理组大鼠肺支气管黏膜上皮细胞出现阳性反应,而在肺泡壁上皮细胞未见NF-κB阳性表达,说明给予AFG1刺激后在蛋白水平上没有激活肺泡壁上皮细胞NF-κB的表达。2.5黄曲霉毒素G1对大鼠肺组织抗活性氧能力的影响AFG1处理后除d1外,d 3、7和14肺组织抗活性氧活力分别为53.4±12.4,42.7±10.8和47.2±11.0 mol·min-1·g prot-1,明显低于溶剂对照3、7和14d组(61.7±4.2、66.3±5.7和64.3±5.4 mol·min-1·g prot-1,p<0.05),表明AFG1急性作用可以降低肺组织抗活性氧能力。3支气管内给予黄曲霉毒素G1对大鼠肺组织肺泡Ⅱ型上皮细胞影响的研究目的:探讨一次性支气管给予AFG1对大鼠肺组织Ⅱ型肺泡上皮细胞(AT-Ⅱ)结构和功能的影响方法:实验动物模型同前一部分。AFG1处理1、3、7和14d后,分别处死实验动物,切取部分新鲜肺组织,分别进行如下研究,取1mm3大小的新鲜肺组织固定于4%戊二醛中,待制备透射电镜电镜标本,观察AT-II超微结构变化;取部分肺组织10%多聚甲醛固定,常规石蜡切片制备,参照试剂盒说明书按S-P法进行采用免疫组化方法检测SP-C蛋白的表达;部分肺组织固定于70%酒精,采用FCM检测SP-C蛋白的表达;取100mg肺组织加入500μL蛋白裂解液,提取肺组织总蛋白,Western blot方法检测SP-C蛋白的表达;部分肺组织液氮冻存,提取组织RNA,RT-PCR方法检测SP-C和SP-A mRNA的表达情况。结果:3.1黄曲霉毒素G1对大鼠肺组织Ⅱ型肺泡上皮细胞的影响透射电镜观察可见AFG1处理组Ⅱ型肺泡上皮细胞出现明显的损伤性变化,表现为板层小体半数空泡化,多数线粒体肿胀、完全空化,粗面内质网核糖体脱颗粒现象,部分细胞表面微绒毛明显减少或消失。3.2黄曲霉毒素G1对肺组织肺泡上皮细胞SP-C蛋白表达的影响免疫组化染色表明,AFG1处理1、3和14d实验动物肺泡上皮SP-C标记指数与相应对照组及溶剂对照组比较差异无显著性,但AFG1处理7d时实验组大鼠肺泡上皮细胞SP-C蛋白阳性标记指数为9.10±1.28%,明显低于溶剂对照7d组(13.34±2.31%,p<0.05)。FCM结果显示AFG1处理1、3和14d肺组织SP-C荧光指数与相应对照组比较差异无显著性,但AFG1处理7d组肺组织SP-C蛋白荧光指数为0.77±0.03,明显低于溶剂对照7d组(0.95±0.06,p<0.05)。与免疫组化和FCM检测结果一致,Western blot半定量检测结果也提示AFG1处理7d,AFG1处理动物肺组织SP-C蛋白表达明显低于相应溶剂对照组。上述结果均提示,AFG1可在一定程度上影响实验动物肺组织AT-Ⅱ特异分化标志物SP-C的表达,这种影响具有明显的时间特异性,支气管给予AFG1处理7d可降低SP-C蛋白表达。3.3黄曲霉毒素G1对肺组织中SP-C mRNA表达的影响RT-PCR SP-C mRNA表达的检测结果表明,给予AFG1作用1和3d后,肺组织SP-C mRNA未见明显改变,AFG1作用7d,肺组织SP-C mRNA的表达明显降低(p <0.01),至d14时SP-C mRNA表达又恢复至正常水平,提示给予AFG1急性作用后可以时间特异性地降低肺组织SP-C mRNA的表达。给予AFG1作用一定时间后,SP-C在蛋白和mRNA水平的表达趋势相一致,7d时表达下降,14d恢复至正常水平,进一步表明随着毒素在体内代谢一段时间,其损伤作用具有可逆性。3.4黄曲霉毒素G1对肺组织中SP-A mRNA表达的影响RT-PCR检测SP-A mRNA的表达结果显示,AFG1作用3和7d组SP-A mRNA表达量分别为0.72±0.09和0.43±0.12,明显低于相应溶剂对照3和7d组(1.03±0.21和1.06±0.10,p<0.01)。4黄曲霉毒素G1对体外培养的大鼠肺泡II型上皮细胞影响的研究目的:进一步探讨AFG1对体外培养的大鼠AT-Ⅱ致损伤作用。方法:以酶消化法原代分离、培养大鼠AT-Ⅱ,将1015mL细胞悬液接种于0.1g·L-1大鼠IgG处理后的平皿中纯化3h,纯化后AT-Ⅱ用20%DMEM调整细胞浓度为(12)×109L-1,接种于96孔板、24孔板和细胞培养瓶中培养24h。用10%DMEM换液后继续培养12h,实验组分别给予不同浓度(0.5, 1.0和2.0mg·L-1)的AFG1处理,溶剂对照组和对照组给予DMSO(0.4mL·L-1)和生理盐水处理。AFG1作用24h后,收集96孔板细胞采用噻唑蓝比色法(MTT)检测细胞存活率;收集24孔板培养基上清液,采用生物化学方法检测上清液乳酸脱氢酶(LDH)和碱性磷酸酶(AKP)活力;离心收集细胞于2.5%戊二醛中前固定24h,超薄切片(厚度50nm),醋酸铀-柠檬酸铅染色,日立H-7500透射电镜观察AT-Ⅱ超微结构的改变;收集24孔板细胞,Fluo-3/AM负载40min,采用激光扫描共聚焦显微镜(CLSM )检测细胞内[Ca2+];收集24孔板细胞,采用免疫细胞化学、CLSM方法检测AT-II SP-C的表达;离心收集细胞于70%酒精固定,采用FCM方法检测AT-II SP-C蛋白表达。结果:4.1肺泡Ⅱ型上皮细胞的培养和鉴定透射电镜观察可见,本研究纯化的细胞内具有AT-II特征性板层小体;纯化细胞涂片,碱性磷酸酶染色可见﹥95%细胞胞浆内有深蓝色酶阳性产物,证明原代分离细胞经纯化后主要为AT-II。4.2黄曲霉毒素G1对AT-II细胞损伤影响MTT检测结果发现,AFG1作用后体外培养AT-Ⅱ细胞存活率分别为88±3%、80±9%和72±8%,明显低于溶剂对照组(101±2%, p<0.01)。AFG1处理组培养上清中LDH和AKP活力明显高于溶剂对照组(p<0.01),随着处理浓度的增加,LDH和AKP活力也增加,提示AFG1对原代培养的AT-Ⅱ具有一定增殖抑制和致损伤作用,随着处理浓度的增加,其致损伤作用逐渐增强。4.3黄曲霉毒素G1对AT-II超微结构的影响透射电镜观察可见AFG1处理组AT-II细胞出现板层小体空化,线粒体肿胀、空泡化等损伤性变化,表明给予AFG1处理对体外培养的AT-Ⅱ的超微结构具有明显的致损伤作用。4.4黄曲霉毒素G1对AT-Ⅱ细胞内[Ca2+]的影响激光扫描共聚焦显微镜方法检测发现,AFG1 0.5、1.0和2.0mg·L-1组细胞内平均钙离子浓度荧光强度分别为200±21、225±14和229±12,明显高于溶剂对照组(161±28,p<0.01),随着AFG1处理浓度的增加,平均钙离子浓度荧光强度,呈剂量依赖关系(r=0.849, p<0.01),研究结果表明随着处理浓度的增加,AFG1明显增加体外培养的AT-Ⅱ细胞内[Ca2+]。4.5黄曲霉毒素G1对AT-Ⅱ细胞SP-C蛋白表达的影响免疫细胞化学、激光扫描共聚焦显微镜方法检测发现各组AT-II中均可见SP-C蛋白表达,定量检测结果表明,AFG1 0.5、1.0和2.0mg·L-1组SP-C蛋白表达荧光强度分别为225±18、209±14和195±13,均明显低于溶剂对照组(243±8, p<0.01)。FCM定量检测结果发现,随着AFG1浓度的增加,AT-Ⅱ细胞SP-C蛋白表达FI明显下降,AFG1 0.5、1.0和2.0mg·L-1组分别为0.91±0.04、0.88±0.06和0.76±0.05,均明显低于溶剂对照组(0.99±0.06,p<0.01)。表明AFG1可以降低体外培养的AT-ⅡSP-C蛋白的表达。5 JNK信号转导通路在黄曲霉毒素G1诱导A549细胞损伤中的意义目的:探讨JNK信号转导通路在AFG1诱导A549细胞损伤中的作用及其机制。方法:5.1 AFG1处理24h对A549细胞毒性作用、JNK激酶活性、SP-C表达及细胞内[Ca2+]影响的检测A549细胞复苏培养后,取对数生长期A549细胞,用10%DMEM调整细胞浓度为(12)×108L-1,接种于96孔板。实验按AFG1处理8、16、24和48h不同时间分为4个时间点,每个时间点按0.1、0.5、1.0和2.0mg·L-1AFG1依次给予AFG1处理、溶剂对照组和对照组分别给予DMSO(0.4mL·L-1)和生理盐水处理。以MTT比色法检测AT-Ⅱ存活率。取对数生长期A549细胞,用10%DMEM调整细胞浓度为(12)×108L-1,接种于24孔培养板和细胞培养瓶中。细胞培养24h后,更换2%低血清DMEM培养基,实验组分别给予AFG10.5、1.0和2.0mg·L-1处理,溶剂对照组和对照组分别给予DMSO(0.4mL·L-1)和生理盐水处理,继续细胞培养24h。收集24孔板细胞,Fluo-3/AM负载40min,采用CLSM检测细胞内[Ca2+];采用免疫细胞化学和CLSM方法检测A549细胞p-JNK水平;采用Western blot方法检测A549细胞JNK蛋白表达情况和p-JNK水平。采用RT-PCR方法检测A549细胞SP-C mRNA的表达情况。5.2 JNK抑制剂SP600125预处理对AFG1诱导细胞毒性作用、JNK激酶活性和SP-C表达变化影响的检测取对数生长期A549细胞用10%DMEM调整细胞浓度为(12)×108L-1,接种于96孔培养板,随机分为9组:溶剂对照组、对照组、1μM SP600125组、0.5μM SP600125组、0.1μM SP600125组、1μM SP600125+ AFG1 1.0 mg·L-1组、0.5μM SP600125+ AFG1 1.0 mg·L-1组、0.1μM SP600125+ AFG1 1.0 mg·L-1组和AFG1 1.0 mg·L-1组。细胞培养24h后,更换2%低血清DMEM培养基,溶剂对照组和对照组给予DMSO(0.4mL·L-1)和生理盐水处理。其余各组(不包括1.0 mg·L-1AFG1组)加入不同浓度SP600125预处理,30min后含有AFG1各组加入1.0 mg·L-1AFG1,A549细胞培养24h后,MTT方法检测细胞存活率。取对数生长期A549细胞用10%DMEM调整细胞浓度为(12)×108L-1,接种于培养瓶。按JNK特异阻断剂SP600125对AFG1作用后A549细胞存活率实验结果,给予0.5μM SP600125预处理细胞。实验分为4组,即溶剂对照组、对照组、阻断剂组和AFG1处理组。细胞培养24h后,更换2%低血清DMEM培养基,阻断剂组加入JNK特异性阻断剂SP600125, 0.5μM。30min后AFG1组和阻断剂组分别给予1.0 mg·L-1AFG1,溶剂对照组和对照组给予DMSO(0.4mL·L-1)和生理盐水处理。A549细胞培养24h后离心收细胞,采用Western blot方法检测A549细胞p-JNK水平。采用RT-PCR方法检测A549细胞SP-C mRNA的表达情况。结果:5.1黄曲霉毒素G1对A549细胞存活率的影响MTT检测结果表明,AFG1在小剂量和短时间内对A549细胞没有明显损伤作用,一定剂量的AFG1只有作用一定时间才能对A549细胞产生明显的致损伤作用,降低细胞存活率。5.2黄曲霉毒素G1对A549细胞p-JNK水平的影响5.2.1p-JNK表达免疫细胞化学和激光扫描共聚焦显微镜方法检测结果免疫细胞化学、激光扫描共聚焦显微镜方法检测发现随着AFG1处理浓度的增加,A549细胞p-JNK荧光强度明显增强。半定量结果显示AFG10.5、1.0和2.0mg·L-1处理组p-JNK表达的FI值分别为126±11, 157±14和175±11,明显高于溶剂对照组(104±9,p<0.05),实验结果表明给予AFG1处理可以激活A549细胞JNK激酶。5.2.2 p-JNK水平的Western方法检测采用图像分析系统对杂交条带进行定量分析,结果显示AFG1 0.5、1.0和2.0mg·L-1处理组相对p-JNK水平分别为0.40±0.02、0.51±0.08和0.58±0.05,明显高于溶剂对照组(0.29±0.05,p<0.05),进一步表明AFG1提高A549细胞JNK磷酸化水平,AFG1激活A549细胞JNK信号转导通路。5.3黄曲霉毒素G1对A549细胞JNK蛋白表达的影响Western Blot结果显示,给予不同剂量AFG1,体外培养的A549细胞JNK蛋白的表达与溶剂对照组比较差异无显著性,表明AFG1对JNK蛋白的表达没有影响。5.4黄曲霉毒素G1对A549细胞内[Ca2+]的影响激光扫描共聚焦显微镜方法检测发现,随着AFG1处理浓度的增加,AFG1处理0.5、1.0和2.0mg·L-1组,A549细胞内平均钙离子浓度荧光强度分别为169±13、204±16和228±11,明显高于溶剂对照组(134±12,p<0.01),AFG1处理浓度和细胞内平均钙离子浓度荧光强度有剂量依赖关系(r=0.932, p<0.01),随着AFG1浓度的增加,A549细胞内[Ca2+]水平增加。5.5黄曲霉毒素G1对A549细胞SP-C mRNA表达的影响A549细胞SP-C mRNA表达的RT-PCR检测结果发现, AFG10.5、1.0和2.0mg·L-1处理组A549细胞SP-C mRNA相对表达量分别为0.39±0.11,0.30±0.03和0.28±0.02,明显低于溶剂对照组(0.56±0.16,p<0.05),说明给予AFG1作用可以降低A549细胞SP-C mRNA的表达。5.6 SP600125预处理对AFG1作用后A549细胞存活率的影响0.1μM SP600125+1.0 mg?L-1AFG1组和0.5μM SP600125+1.0 mg?L-1 AFG1组细胞存活率分别为87±5%和89±5%,明显高于1.0 mg·L-1AFG1组细胞78±8%,但低于溶剂对照组(98±10%,p<0.05),而1.0μM SP600125+1.0 mg?L-1AFG1组细胞存活率与AFG1组比较无显著性差异(p>0.05)。提示小剂量SP600125对AFG1细胞损伤效应具有部分阻断作用,0.5μM SP600125的阻断作用尤为显著,AFG1通过JNK信号转导通路部分参与介导A549细胞死亡。5.7 SP600125预处理对AFG1作用后A549细胞p-JNK激酶活性和SP-C mRNA表达的影响Western blot结果表明,1.0 mg·L-1AFG1处理A549细胞24h,处理组细胞相对p-JNK水平明显高于溶剂对照组,给予SP600125预处理后, p-JNK水平明显降低(p<0.05),说明SP600125对JNK的磷酸化具有特异阻断作用,进一步证实AFG1可以激活JNK蛋白激酶。给予SP600125预处理后,1.0 mg·L-1AFG1处理A549细胞24h,RT-PCR分析发现,AFG1组和阻断剂组SP-C mRNA相对表达量分别为0.37±0.08和0.35±0.05,明显低于溶剂对照组(0.66±0.11,p<0.05),阻断剂组SP-C mRNA相对表达量与AFG1组比较差异无显著性。说明SP600125预处理对SP-C mRNA的表达没有抑制作用,AFG1不通过JNK信号转导途径介导SP-C mRNA的表达。结论:1.长期经口灌胃NIH小鼠AFG1所诱发的肺腺癌组织来源于AT-II,肺腺癌组织中未见突变型P53和Ras P21蛋白表达;AFG1长期经口灌胃NIH小鼠促进肺泡上皮细胞SP-C和PCNA的表达。2.急性支气管给予AFG1可以增加处理大鼠BALF中LDH和AKP的活力,导致大鼠肺组织超微结构出现损伤性变化;激活肺泡细胞TNF-αmRNA的表达,降低肺组织抗活性氧能力,但对肺组织NF-κB蛋白的表达没有影响。3.急性支气管给予AFG1可时间特异性地降低大鼠肺组织SP-C在蛋白水平上的表达,降低SP-C和SP-A在mRNA水平的表达。4. AFG1对原代培养的大鼠AT-II具有明显的致损伤作用,可以增加大鼠AT-II细胞内[Ca2+],降低原代培养的大鼠AT-II SP-C蛋白的表达。5. AFG1作用于A549细胞可以增加A549细胞内[Ca2+]、激活JNK蛋白激酶、降低A549细胞SP-C mRNA的表达;给予JNK特异性阻断剂-SP600125预处理可以部分抑制AFG1对A549细胞的细胞毒性作用,但对AFG1诱导SP-C mRNA表达降低没有影响。JNK信号转导通路可能部分参与介导AFG1致AT-II损伤生物学作用。