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. 2014 Feb 20;17(2):148–154. [Article in Chinese] doi: 10.3779/j.issn.1009-3419.2014.02.14

异长春花碱逆转肺癌顺铂耐药A549/DDP细胞耐药性的作用和机制

The Effect and Mechanism of Vinorelbine on Cisplatin Resistance of Human Lung Cancer Cell Line A549/DDP

齐 春胜 1,2, 高 森 3, 李 会强 4, 高 卫真 1,*
PMCID: PMC6000056  PMID: 24581167

Abstract

背景与目的

肺癌细胞耐药已经成为肺癌化疗的主要困难之一,异长春花碱被认为可有效抑制肺癌细胞的增殖和转移。本研究旨在探讨异长春花碱对人肺癌A549/DDP细胞顺铂耐受性的逆转作用及机制。

方法

1 μmol/L和5 μmol/L异长春花碱作用A549/DDP细胞后,应用MTS法检测肿瘤细胞顺铂敏感性的变化,应用流式细胞术检测肿瘤细胞凋亡率变化,肿瘤细胞对Rh-123摄入量的变化,Western blot法检测MDR1、Bcl-2、survivin、caspase-3/8和PTEN蛋白表达以及Akt的磷酸化水平的变化,real-time PCR检测MDR1、Bcl-2、survivin和PTEN的mRNA表达,用报告基因系统检测NF-κB、Twist和Snail的转录活性。

结果

1 μmol/L和5 μmol/L异长春花碱作用A549/DDP细胞后,肿瘤细胞对顺铂的敏感性分别提高了1.91倍和2.54倍,肿瘤细胞对Rh-123的摄入量提高了1.93倍和2.95倍,细胞凋亡增加了2.25倍和3.82倍,MDR1、Bcl-2、survivin蛋白表达和Akt磷酸化水平下调,caspase-3/8和PTEN蛋白表达上调,MDR1的mRNA表达下调43.5%和25.8%,Bcl-2的mRNA表达下调57.3%和34.1%,survivin的mRNA表达下调37.6%和12.4%,PTEN表达上调183.4%和154.2%,NF-κB转录活性下降53.2%和34.5%,Twist转录活性下降61.4%和33.5%,Snail转录活性下降57.8%和18.7%。

结论

异长春花碱可提高肿瘤细胞A549/DDP对顺铂的敏感性,其机制可能与调节PTEN/AKT/NF-κB信号路径活性,进而下调耐药基因表达,上调促凋亡基因表达有关。

Keywords: 异长春花碱, 肺肿瘤, 顺铂耐药


肺癌的治疗是以手术、放疗和化疗为主的综合治疗,化疗通过给予药物以杀死肿瘤细胞,一般与手术和放疗联合使用。顺铂是一种常见的化疗药物,可通过使DNA发生交联,抑制癌细胞的DNA复制和转录,使肿瘤细胞停止生长发生凋亡[1]。但临床实际中,肿瘤细胞往往对化疗药物产生耐受,使治疗失效。因此,查找肿瘤的耐药机制,开发新的逆转耐药性的方法,对提高临床患者的受益有十分重要的意义。目前的研究[2, 3]显示,肿瘤细胞产生耐药的机制包括减少药物的吸收,通过转运蛋白增加药物的外排,通过谷胱甘肽系统对抗肿瘤药物进行解毒,凋亡途径异常以减少肿瘤细胞的凋亡等。

异长春花碱(Vinorelbine)是一种新型抗肿瘤药,在一系列临床前研究中发现其可抑制肿瘤细胞的生长,促进细胞凋亡,抑制肿瘤转移[4]。而异长春花碱逆转顺铂耐受肺癌细胞的作用尚未得到充分研究,本研究拟对其作用和分子机制进行初步的探讨。

1. 材料与方法

1.1. 主要试剂与仪器

人肺癌细胞系A549和A549/DDP购自中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所;细胞培养基购自Gibco公司;异长春花碱购自Sigma公司;顺铂购自Sigma公司;Rhodamine-123(Rh-123)购自Sigma公司;非放射性细胞增殖检测法(MTS)试剂、real-time PCR试剂盒购自Promega公司;细胞凋亡检测试剂盒购自BD Biosciences;抗MDR1(multidrug resistance protein 1)、Bcl-2、caspase-3/8、survivin、PTEN(Phosphatase and tensin homolog)和p-AKT单抗均购自SantaCruz公司;NF-κB、Twist和Snail的转录活性报告基因检测试剂盒购自Promega;ECL免疫印迹底物试剂盒购自Millipore公司;流式细胞仪CaliburTM:BD公司;酶标仪和PCR仪:Thermo公司。

1.2. 细胞培养

A549和A549/DDP培养于10 cm培养皿,37 ℃、5%CO2和饱和湿度的培养箱中,培养基为90% EMEM,10%胎牛血清(FBS)。0.25%胰酶-EDTA消化传代,所有试验均采用对数生长期细胞。

1.3. MTS法检测异长春花碱对A549细胞的抑制作用

取对数生长期的转染克隆细胞,以(2-3)×104个/mL接种到96孔微孔板中,100 μL/孔,培养过夜使细胞贴壁。向对应试验孔加入0.1 μmol/L、1 μmol/L、5 μmol/L、10 μmol/L、50 μmol/L、100 μmol/L异长春花碱,继续培养24 h,吸去培养基,按照试剂盒说明书加入MTS试剂,最后用酶标仪测定490 nm波长下的OD值,并计算药物对细胞的抑制率。抑制率=(1-实验组OD值/对照组OD值)×100%。以异长春花碱浓度的对数为横坐标,抑制率为纵坐标作图并拟合抑制曲线,50%抑制率所对应的化合物浓度即为IC50值。

1.4. MTS法检测异长春花碱对A549/DDP细胞耐药性的逆转作用

取对数生长期的转染克隆细胞,以(2-3)×104个/mL接种到96孔微孔板中,100 μL/孔,培养过夜使细胞贴壁。向对应试验孔加入0.1 μmol/L、1 μmol/L、5 μmol/L、10 μmol/L、50 μmol/L、100 μmol/L顺铂和1 μmol/L和5 μmol/L异长春花碱,继续培养72 h,吸去培养基,按照试剂盒说明书加入MTS试剂,最后用酶标仪测定490 nm波长下的OD值,并计算药物对细胞的抑制率。抑制率=(1-实验组OD值/对照组OD值)×100%。以异长春花碱浓度的对数为横坐标,抑制率为纵坐标作图并拟合抑制曲线,50%抑制率所对应的化合物浓度即为IC50值。逆转倍数=异长春花碱处理组A549/DDP细胞IC50值/异长春花碱未处理组A549/DDP细胞IC50值。

1.5. 流式细胞术检测A549/DDP细胞内Rh-123含量和细胞凋亡

取对数生长期的肿瘤细胞,1 μmol/L和5 μmol/L异长春花碱作用24 h后,加入10 μmol/L Rh-123染液,培养1 h后收集细胞,调整细胞浓度至106/mL,以流式细胞仪检测细胞中Rh-123的荧光强度(488 nm激发光),考察异长春花碱对A549/DDP细胞中Rh-123含量的影响。

取对数生长期的肿瘤细胞,经10 μmol/L顺铂及1 μmol/L和5 μmol/L异长春花碱作用24 h后,加入PI和Annexin V-FITC各20 μL,避光孵育15 min后收集细胞,调整细胞浓度至106/mL,以流式细胞仪检测细胞中PI和FITC的荧光强度(488 nm激发光),考察异长春花碱对A549/DDP细胞凋亡的影响。

1.6. Western blot法检测A549/DDP细胞MDR1、Bcl-2、caspase-3/8、survivin、PTEN和p-AKT蛋白的表达

取对数生长期的肿瘤细胞,1 μmol/L和5 μmol/L异长春花碱作用24 h后,收集细胞并裂解提取蛋白。BCA(bicinchoninic acid)法测定细胞裂解物的蛋白含量,取等量蛋白质以12% SDS-PAGE法分离并转移至醋酸纤维素膜上,以相应的单克隆抗体室温孵育4 h以检测目标蛋白。洗去一抗,以HRP连接的二抗室温孵育2 h,洗涤后以ECL试剂盒显示免疫反应条带。β-actin作为内参。

1.7. Real-time PCR检测A549/DDP细胞中MDR1、Bcl-2、survivin和PTEN的mRNA表达水平

取对数生长期的肿瘤细胞,1 μmol/L和5 μmol/L异长春花碱作用24 h后,用Trizol法提取各组总RNA,用real-time PCR试剂盒进行逆转录得到cDNA。MDR1上游引物序列:5'-AAAAAGATCAACTCGTACCACTC-3',下游引物序列:5'-GCACAAAATACACCAACAA-3';Bcl-2上游引物序列:5′- ACGGGGTGAACTGGGGGAGGA-3′,下游引物序列:5′- TGTTTGGGGCAGGCATGTTGACTT-3′;survivin上游引物序列:5′-ACAACCAAACCTCACACTACTG-3′,下游引物序列:5′-ATAGATCCCATTACAGACAGCG-3′;PTEN上游引物序列:5′-CTTTGTGCTGAAAGACATTATGAC-3′,下游引物序列:5′-GGCTTTGTCTTTATTTGCTTTGTC-3′;β-actin上游引物序列:5′-TGAGCGCGGCTACAGCTT-3′,下游引物序列:5′-TCCTTAATGTCACGCACGATTT-3′;94 ℃变性3 min后,按下述条件扩增40个循环:95 ℃ 5 s,65 ℃ 35 s,72 ℃ 60 s,循环后72 ℃延伸5 min。

1.8. A549/DDP细胞中NF-κB、Twist和Snail核转录活性的检测

根据试剂说明书的方法,每孔加入0.1 μg的NF-κB、Twist和Snail荧光报告质粒和0.02 μg对照质粒转染细胞,继续培养6 h,洗去未转入细胞的质粒,更换新鲜培养基,加入1 μmol/L和5 μmol/L异长春花碱作用24 h,以Dual-GloTM Luciferase assay system对两种萤光酶的活性进行检测。

1.9. 统计学方法

实验数据以均数±标准差表示,使用SPSS 13.0软件进行分析。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)进行比较,以P < 0.05表示差异具有统计学意义。

2. 结果

2.1. 异长春花碱增加A549/DDP细胞对顺铂的敏感性

MTS法检测结果显示,A549/DDP细胞经异长春花碱作用24 h后,细胞抑制率呈现剂量依赖性,1 μmol/L异长春花碱抑制率为3.7%,5 μmol/L异长春花碱抑制率为8.3%,分别为无毒浓度(细胞抑制率 < 5%)和低毒浓度(细胞抑制率 < 10%),故采用上述两种浓度进行实验(图 1)。A549/DDP细胞对顺铂的IC50为60.3 μmol/L,经1 μmol/L和5 μmol/L异长春花碱作用后,A549/DDP细胞对顺铂的敏感性明显升高,IC50分别为31.6 μmol/L和23.7 μmol/L(图 2),逆转倍数(RF)分别为1.91倍和2.54倍(P < 0.05),表明异长春花碱可提高A549/DDP细胞对顺铂的敏感性。

1.

1

异长春花碱对A549/DDP细胞增殖的影响

The effect of Vinorelbine on A549/DDP cells proliferation. There was an increased cell proliferation inhibition with different concentration of Vinorelbine treatment in A549/DDP cell lines, the IC50 was 35.7 μmol/L. Bars indicate SD, n=5

2.

2

异长春花碱对A549/DDP细胞耐药性的逆转作用

Reversal effect of Vinorelbine on A549/DDP cells drug resistance. There was an increased cell proliferation inhibition with 1 μmol/L and 5 μmol/L Vinorelbine treatment in A549/DDP cell lines, the the IC50 of A549 was 9.8 μmol/L, the IC50 of A549/DDP without Vinorelbine treatment was 60.3 μmol/L, IC50 of A549/DDP with 1 μmol/L Vinorelbine treatment was 31.6 μmol/L, IC50 of A549/DDP with 5 μmol/L Vinorelbine treatment was 23.7 μmol/L, the sensitivity of cancer cells to cisplatin was increased by 1.91- and 2.54-folds respectively. Bars indicate SD, n=5

2.2. 异长春花碱提高A549/DDP细胞胞内Rh-123浓度

促进细胞凋亡试验结果显示,1 μmol/L和5 μmol/L异长春花碱作用24 h后,A549/DDP细胞吸收荧光染料Rh-123的能力显著提高,与0 μmol/L组相比,细胞内Rh-123含量分别提高了1.93倍和2.95倍(图 3)。进一步的研究发现,1 μmol/L和5 μmol/L异长春花碱作用24 h后,A549/DDP细胞凋亡比例明显上升,与0 μmol/L组凋亡率11.4%相比,细胞凋亡率分别为25.7%和43.6%(图 4)。

3.

3

异长春花碱对A549/DDP细胞Rh-123蓄积的影响

The effect of Vinorelbine on the intracellular accumulation of Rh-123 in A549/DDP cells. A: The fow cytometry results in the effect of Vinorelbine on intra-cellular Rh-123 content of A549/DDP cells. B: The graph of the effect of Vinorelbine on the mean fluorescence intensity of Rh-123 in A549/DDP cells. The the content of Rh-123 was elevated 1.93- and 2.95-folds with 1 μmol/L and 5 μmol/L Vinorelbine treatment in A549/DDP cell lines compared with 0μmol/L Vinorelbine treatment. Data presented are Mean±SD, bars indicate SD, n=3, *: compared to 0 μmol/L group, P < 0.05

4.

4

异长春花碱对A549/DDP细胞凋亡的影响

The effect of Vinorelbine on the apoptosis of A549/DDP cells. A: The fow cytometry results in the effect of Vinorelbine on inducing apoptosis of A549/DDP cells. B: The graph of the effect of Vinorelbine on the cells apoptosis rate of A549/DDP cells. The apoptosis rate was elevated 2.25- and 3.82-folds with 1 μmol/L and 5 μmol/L Vinorelbine treatment in A549/DDP cell lines compared with 0 μmol/L Vinorelbine treatment. Data presented are Mean±SD, bars indicate SD, n=3, *: compared to 0 μmol/L group, P < 0.05

2.3. 异长春花碱调节A549/DDP细胞MDR1、Bcl-2、survivin和caspase-3/8的表达

为研究异长春花碱逆转A549/DDP耐药性,促进凋亡的机制,我们研究了多种耐药基因的表达。结果显示,1 μmol/L和5 μmol/L异长春花碱作用24 h后,MDR1、Bcl-2、survivin和caspase-3/8在蛋白水平的表达均显著下调,MDR1的mRNA表达下调43.5%和25.8%,Bcl-2的mRNA表达下调57.3%和34.1%,survivin的mRNA表达下调37.6%和12.4%(图 5)。

5.

5

异长春花碱对A549/DDP细胞多药耐药基因表达的影响

The effect of Vinorelbine on the expression of drug resistance in A549/DDP cells. A: The effect of Vinorelbine on the protein expression of MDR1, Bcl-2, survivin and cleaved caspase-3/8 in A549/DDP cells. There was a downregulated expression of MDR, Bcl-2 and survivin, however, there was an upregulated expression of caspase-3/8 with Vinorelbine treatment. β-actin was as an internal control. B: The effect of Vinorelbine on the mRNA expression of MDR1, Bcl-2 and survivin in A549/DDP cells. Real-time assay showed that the mRNA expression of MDR1 was downregulated 43.5% and 25.8%, Bcl-2 was downregulated 57.3% and 34.1%, survivin was downregulated 37.6% and 12.4% with 1 μmol/L and 5 μmol/L Vinorelbine treatment in A549/DDP cell lines compared with 0 μmol/L Vinorelbine treatment. β-actin was as an internal control. Data presented are Mean±SD, bars indicate SD, n=5, *: compared to 0 μmol/L group, P < 0.05

2.4. 异长春花碱抑制Akt的磷酸化,上调PTEN表达,下调NF-κB、Twist和Snail的转录活性

为研究异长春花碱调节上述耐药和凋亡相关蛋白的机制,我们重点研究了一些关键信号通路的变化。Western blot显示,1 μmol/L和5 μmol/L异长春花碱作用24 h后,肿瘤细胞Akt的磷酸化水平下降,PTEN蛋白表达上调,PTEN的mRNA表达上调183.4%和154.2%,而用报告基因系统评价NF-κB、Twist和Snail这些转录因子的活性时,结果显示,这些因子的转录活性均明显下降,与0 μmol/L组相比,NF-κB转录活性下降53.2%和34.5%,Twist转录活性下降61.4%和33.5%,Snail转录活性下降57.8%和18.7%(图 6),说明异长春花碱逆转A549/DDP细胞顺铂耐药性可能通过上调PTEN表达,抑制AKT/NF-κB信号路径活性,进而抑制下游转录因子Twist和Snail转录活性,进一步调节下游基因表达。

6.

6

异长春花碱对A549/DDP细胞信号转导路径的影响

The effect of Vinorelbine on the signal transduction in A549/DDP cells. A: The effect of Vinorelbine on the expression of p-Akt and PTEN in A549/DDP cells with Vinorelbine treatment. β-actin was as an internal control. B: The effect of Vinorelbine on the mRNA expression of PTEN in A549/DDP cells. The mRNA expression of PTEN was upregulated183.4% and 154.2% with 1 μmol/L and 5 μmol/L Vinorelbine treatment in A549/DDP cell lines compared with 0 μmol/L Vinorelbine treatment. β-actin was as an internal control. Data presented are Mean±SD, bars indicate SD, n=5, *: compared to 0 μmol/L group, P < 0.05. C: The effect of Vinorelbine on the transcriptional activity of NF-κB, Twist and Snail in A549/DDP cells. The transcriptional activities of NF-κB was downregulated 53.2% and 34.5%, Twist was downregulated 61.4% and 33.5%, and Snail was downregulated 57.8% and 18.7% with 1 μmol/L and 5 μmol/L Vinorelbine treatment in A549/DDP cell lines compared with 0 μmol/L Vinorelbine treatment. Data presented are Mean±SD, bars indicate SD, n=5, *: compared to 0μmol/L group, P < 0.05

3. 讨论

肺癌是最常见的恶性肿瘤之一,铂类药物是一类广泛使用的化疗药物,在多种恶性肿瘤的治疗中表现出很好的效果。但肺癌治疗过程中肿瘤细胞发展出来的耐药性,往往导致治疗失败,寻找可运用于临床抵抗耐药性的新药,是提高患者临床受益的迫切需要。

肿瘤细胞对化疗药物产生耐受性的机制之一是过表达MDR1等多药耐药蛋白,增加药物的外排,降低药物在细胞内蓄积和在药靶部位的有效浓度[5-7]。在本研究中,我们发现异长春花碱可增加A549/DDP细胞对顺铂的敏感性,并具有剂量依赖性。我们利用流式细胞术检测了肿瘤细胞对荧光染料Rh-123吸收的变化,结果显示,异长春花碱水平越高,则胞内Rh-123的含量越高。Rh-123是MDR1底物,胞内Rh-123的含量提高可间接说明肿瘤细胞对化疗药物的外排作用降低。进一步的WB和real-time PCR研究显示,MDR1的蛋白和mRNA表达水平均下降,与Rh-123的研究结果一致。

除MDR1以外,凋亡相关基因也可以介导肿瘤细胞对顺铂的耐受。半胱天冬酶8(caspase-8)是细胞凋亡过程中的重要效应物质,激活后可释放到胞质中启动caspase的级联反应,激活下游的半胱天冬酶3(caspase-3),导致细胞凋亡。Bcl-2和survivin是肿瘤细胞中重要的凋亡抑制基因,已经被证明在耐药肿瘤细胞中过表达,可通过阻断凋亡终末效应酶caspase-3活性抑制细胞凋亡。本研究的流式细胞分析结果显示,异长春花碱可促进细胞的凋亡,并发现异长春花碱可下调Bcl-2和survivin表达,上调caspase-3/8表达。因此,我们认为异长春花碱是通过下调凋亡抑制基因,上调促凋亡基因表达实现对肿瘤细胞凋亡的调控作用。

PTEN是一种肿瘤抑制基因,可通过抑制Akt磷酸化,下调Akt活性,阻断Akt下游信号转导路径及,调节下游基因表达[8, 9]。我们发现异长春花碱可上调PTEN表达,抑制Akt磷酸化和NF-κB转录活性。Twist和Snail是NF-κB的下游靶基因,也是重要的促肿瘤转录因子,可通过调节下游基因在肿瘤耐药产生过程中发挥重要作用,我们的结果也证明长春花碱可下调Twist和Snail的转录活性。

综上所述,我们认为长春花碱逆转A549/DDP顺铂耐药性可能与增加肿瘤细胞药物蓄积,诱导凋亡有关,调节PTEN/AKT/NF-κB信号路径活性,进而调节下游Twist和Snail等转录因子活性和耐药相关基因表达,可能是其作用机制的中心环节。

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