尚亞細亞 杜菊梅 張磊 申艷方 張文青 梁風(fēng)俊
醒腦靜對Aβ25-35誘導(dǎo)的SH-SY5Y細胞線粒體損傷的保護作用
尚亞細亞 杜菊梅 張磊 申艷方 張文青 梁風(fēng)俊
目的 觀察醒腦靜注射液對Aβ25-35誘導(dǎo)的SH-SY5Y細胞線粒體損傷的保護作用。方法 將培養(yǎng)的SH-SY5Y細胞隨機分為5組,即(1)正常對照組:細胞正常培養(yǎng)27 h;(2)AD細胞模型組:細胞正常培養(yǎng)3 h,隨后用老化的Aβ25-35(25μmol/L)處理24 h;(3)醒腦靜低濃度組:醒腦靜注射液(5 μl/mL)預(yù)處理細胞3 h,隨后用老化的Aβ25-35(25 μmol/L)處理24 h;(4)醒腦靜中濃度組:醒腦靜注射液(10 μl/mL)預(yù)處理細胞3 h,隨后用老化的Aβ25-35(25μmol/L)處理24 h;(5)醒腦靜高濃度組:醒腦靜注射液(20 μl/mL)預(yù)處理細胞3 h,隨后用老化的Aβ25-35(25 μmol/L)處理24 h;處理后各組細胞利用MTT法檢測細胞存活率,紫外分光光度法檢測細胞內(nèi)ATP含量,流式細胞儀檢測線粒體膜電位水平。結(jié)果 AD細胞模型組細胞存活率較正常對照組降低(P<0.05),醒腦靜不同濃度組細胞存活率較AD細胞模型組均明顯升高(P<0.05);AD細胞模型組細胞內(nèi)ATP含量、線粒體膜電位水平較正常對照組下降(P<0.05),醒腦靜不同濃度組細胞內(nèi)ATP含量、線粒體膜電位水平較AD細胞模型組顯著升高(P<0.05)。結(jié)論 醒腦靜預(yù)處理可抑制Aβ25-35誘導(dǎo)的SH-SY5Y細胞凋亡,提高細胞存活率,其機制可能與醒腦靜提高細胞內(nèi)ATP含量及線粒體膜電位水平而發(fā)揮線粒體保護作用有關(guān)。
醒腦靜 阿爾茨海默病 β淀粉樣蛋白 ATP 線粒體膜電位
阿爾茨海默病(Alzheimer disease,AD)是老年人常見的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病,也最常見的癡呆類型,臨床上主要表現(xiàn)為進行性記憶與認知功能減退。目前我國有AD患者600~800萬,其中65歲以上老年人AD患病率為3%~7%,隨著人口老年化社會的不斷加劇,AD防治形勢不容樂觀。目前AD具體發(fā)病機制尚不明確,β淀粉樣蛋白(amyloid beta, Aβ)沉積形成的老年斑及神經(jīng)原纖維纏結(jié)形成是AD典型病理特征。研究表明Aβ可直接或間接對線粒體結(jié)構(gòu)及功能造成損傷[1-3],而線粒體損傷后一方面可誘發(fā)氧化應(yīng)激、激活凋亡信號通路等級聯(lián)反應(yīng);另一方面可促進Aβ生成[4],進一步加重線粒體損傷,從而形成惡性循環(huán),導(dǎo)致神經(jīng)元變性凋亡。因此,抑制Aβ誘導(dǎo)的線粒體損傷對減輕AD病理損害具有重要意義。
醒腦靜注射液是由傳統(tǒng)名方“安宮牛黃丸”經(jīng)科學(xué)改制而成的水溶性中藥注射液,主要成分為麝香、郁金、冰片、梔子。研究顯示醒腦靜注射液可改善臨床AD患者MMSE、ADAS-cog、GDS評分[5],但其具體機制尚不清楚。膿毒癥大鼠實驗發(fā)現(xiàn)醒腦靜注射液可減輕心肌線粒體腫脹、空泡樣改變,降低線粒體電鏡下的半定量評分,具有線粒體保護作用[6]。在AD患者中醒腦靜注射液是否可發(fā)揮線粒體保護作用、抑制神經(jīng)元凋亡、改善認知障礙尚未明確。本研究利用AD細胞模型探討醒腦靜注射液對Aβ25-35誘導(dǎo)的線粒體損傷的保護作用。
1.1 實驗材料
SH-SY5Y細胞購自中國科學(xué)院上海細胞庫;高糖DMEM培養(yǎng)基(Gibco公司);胎牛血清(Hyclone公司);0.25%胰酶(Trypsin公司);Aβ25-35(Sigma公司);噻唑藍MTT(Sigma公司);ATP含量測試盒(南京建成生物工程研究所);細胞凋亡線粒體膜電位檢測試劑盒(南京建成生物工程研究所);醒腦靜注射液。
1.2 方法
1.2.1 Aβ25-35老化處理
用1.8 mL重蒸水將1 mg Aβ25-35溶解成濃度為500 μmol/L的母液,于37 ℃下孵育7 d以形成聚集形式的Aβ25-35,-20℃冷凍保存?zhèn)錅y,測量前用培養(yǎng)基稀釋成實驗所需濃度。
1.2.2 細胞培養(yǎng)
SH-SY5Y細胞株接種于盛有DMEM完全培養(yǎng)基的培養(yǎng)瓶中,放置于37 ℃、5%的CO2培養(yǎng)箱中,每天在倒置顯微鏡下觀察細胞生長狀況,每3~4 d傳代1次,傳代按1∶3進行,取對數(shù)生長期細胞進行實驗。
1.2.3 AD細胞模型制備
AD細胞模型制備參考Hongquan等方法[7]:用DMEM完全培養(yǎng)基將老化的Aβ25-35稀釋至25 μmol/L,將正常培養(yǎng)的SH-SY5Y細胞暴露于 Aβ25-35(25 μmol/L)中24 h,即制成所需AD細胞模型。
1.2.4 實驗分組
將培養(yǎng)的SH-SY5Y細胞隨機分為5組,即(1)正常對照組:細胞正常培養(yǎng)27 h;(2)AD細胞模型組:細胞正常培養(yǎng)3 h,隨后用老化的Aβ25-35(25 μmol/L)處理24 h;(3)醒腦靜低濃度組:醒腦靜注射液(5 μl/mL)預(yù)處理細胞3 h,隨后用老化的Aβ25-35(25 μmol/L)處理24 h;(4)醒腦靜中濃度組:醒腦靜注射液(10 μl/mL)預(yù)處理細胞3 h,隨后用老化的Aβ25-35(25 μmol/L)處理24 h;(5)醒腦靜高濃度組:醒腦靜注射液(20 μl/mL)預(yù)處理細胞3 h,隨后用老化的Aβ25-35(25 μmol/L)處理24 h。
1.2.5 MTT法檢測細胞存活率
SH-SY5Y細胞接種于96孔培養(yǎng)板,按照實驗分組干預(yù)處理后每孔加入MTT溶液(5 mg/ml)20 μL,37 ℃繼續(xù)孵育4 h,終止培養(yǎng),移除孔內(nèi)培養(yǎng)液,每孔加入150 μl DMSO,搖床上低速震蕩10 min使甲臜充分溶解,空白孔調(diào)零,酶標儀上490 nm波長處檢測各孔OD值,記錄并計算細胞存活率。
1.2.6 細胞ATP含量檢測
SH-SY5Y細胞接種于6孔培養(yǎng)板,按照實驗分組干預(yù)處理后嚴格按ATP含量測試盒說明書進行操作,利用紫外分光光度計檢測各孔吸光度值,記錄并計算ATP含量,ATP含量(μmol/L)=[(測定OD值-對照OD值)/(標準OD值-空白OD值)]×標準品含量×樣本測定前稀釋倍數(shù)÷待測樣本蛋白含量。
1.2.7 細胞線粒體膜電位檢測
利用JC-1熒光探針檢測線粒體膜電位,將SH-SY5Y細胞接種于6孔培養(yǎng)板,按照實驗分組干預(yù)處理后嚴格按線粒體膜電位檢測試劑盒說明書操作,各組單細胞懸液用流式細胞儀檢測(Ex=488 nm;Em=530 nm),綠色熒光通過FITC通道FL1檢測,紅色熒光通過PI通道FL2檢測,計算各組紅綠熒光強度比值。
1.2.8 統(tǒng)計學(xué)處理
2.1 各組細胞存活率
AD細胞模型組細胞存活率較正常對照組降低(P<0.05);與AD細胞模型組比較,醒腦靜低濃度組、中濃度組及高濃度組細胞存活率明顯升高(P<0.05);不同濃度醒腦靜組比較,醒腦靜低濃度組細胞存活率高于中濃度組、高濃度組(P<0.05)(表1)。
注:與正常對照組比較,*P<0.05;與AD細胞模型組比較,#P<0.05;與醒腦靜低濃度組比較,▲P<0.05
2.2 ATP含量檢測
與正常對照組比較,AD細胞模型組ATP含量顯著降低(P<0.05);醒腦靜低濃度組、中濃度組及高濃度組ATP含量較AD細胞模型組升高(P<0.05);不同濃度醒腦靜組比較,醒腦靜低濃度組ATP含量高于中濃度組、高濃度組(P<0.05)(表2)。
2.3 線粒體膜電位檢測
與正常對照組比較,AD細胞模型組線粒體膜電位明顯降低(P<0.05);醒腦靜低濃度組、中濃度組及高濃度組線粒體膜電位較AD細胞模型組升高(P<0.05);不同濃度醒腦靜組比較,醒腦靜低濃度組線粒體膜電位高于中濃度組、高濃度組(P<0.05)(圖1,表3)。
表2 各組細胞ATP含量檢測(μmol/L)
注:與正常對照組比較,*P<0.05;與AD細胞模型組比較,#P<0.05;與醒腦靜低濃度組比較,▲P<0.05
圖1 流式細胞儀檢測各組細胞線粒體膜電位
表3 各組細胞線粒體膜電位檢測
注:與正常對照組比較,*P<0.05;與AD細胞模型組比較,#P<0.05;與醒腦靜低濃度組比較,▲P<0.05
AD是老年人最常見的癡呆類型,雖然隨著國內(nèi)外學(xué)者對AD研究的不斷深入,相繼提出了Aβ級聯(lián)假說、Tau蛋白過度磷酸化假說、氧化應(yīng)激假說、膽堿能假說、興奮性氨基酸毒性假說等發(fā)病機制假說,但目前AD發(fā)病機制仍未完全闡明,亦無確切有效的治療方法。腦組織中Aβ異常沉積形成老年斑是AD典型病理特征之一,研究表明Aβ對神經(jīng)元內(nèi)線粒體具有顯著毒性作用,AD模型大鼠腦組織中靠近Aβ斑塊的神經(jīng)元內(nèi)線粒體數(shù)量減少、膜電位下降,并可見營養(yǎng)不良和破碎的線粒體[8]。利用電子顯微鏡觀察AD患者海馬、額葉皮層、小腦皮層、丘腦等部位的神經(jīng)元,亦可見廣泛的線粒體腫脹、數(shù)量減少、嗜鋨物質(zhì)聚集,嚴重者出現(xiàn)空泡變性和線粒體嵴斷裂[9]。線粒體損傷后可刺激APP經(jīng)淀粉樣代謝途徑水解生成具有毒性作用的Aβ[4],從而形成Aβ聚集→線粒體損害→Aβ生成的惡性循環(huán),加重AD病理損害。因此,積極尋求線粒體保護劑來抑制Aβ誘導(dǎo)的線粒體損傷對緩解AD病理損害具有重要意義。
中醫(yī)學(xué)認為,神明失用是阿爾茨海默病發(fā)病的基本病理,心腎虛衰、痰瘀阻滯是導(dǎo)致神明失用的內(nèi)在機制,治療當(dāng)以開竅醒神、強記益智為施治總則。醒腦靜注射液是由《溫病條辨》傳統(tǒng)名方“安宮牛黃丸”經(jīng)科學(xué)改制而成的水溶性中藥注射液,主要成分為麝香、郁金、冰片、梔子,四藥相配具有醒腦開竅、行痰通瘀、清解毒邪之功效。有研究發(fā)現(xiàn)醒腦靜注射液可明顯縮短AD模型大鼠在水迷宮試驗中的逃避潛伏期,增加跨越原平臺次數(shù),減輕AD模型大鼠的學(xué)習(xí)記憶障礙[7],改善臨床AD患者MMSE、ADAS-cog、GDS評分[5],但其具體分子機制尚不清楚。在膿毒癥大鼠心肌損傷實驗中王金華等研究發(fā)現(xiàn)醒腦靜注射液可減輕膿毒癥大鼠心肌線粒體腫脹、空泡樣改變,降低線粒體電鏡下的半定量評分,對膿毒癥大鼠心肌線粒體發(fā)揮保護作用[6]。醒腦靜是否可通過線粒體保護作用來減輕Aβ細胞毒性、改善AD患者癡呆癥狀尚不清楚,本研究利用AD細胞模型探討醒腦靜注射液對Aβ25-35誘導(dǎo)的SH-SY5Y細胞線粒體損傷的保護作用。
線粒體是細胞內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的主要結(jié)構(gòu),被稱為“細胞動力工廠”。線粒體通過三羧酸循環(huán)、電子傳遞過程使H+經(jīng)ATP酶復(fù)合體回流產(chǎn)生自由能,進而驅(qū)動ATP合酶將高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP。前期研究表明Aβ可引起線粒體ATP合成減少,其機制可能是Aβ結(jié)合ATP合酶的α亞單位后引起ATP合酶構(gòu)象改變,從而阻礙了底物水平磷酸化產(chǎn)生的高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移至ADP生成ATP[10];也可能與Aβ誘導(dǎo)細胞氧化應(yīng)激,降低細胞色素C氧化酶活性,抑制了線粒體電子傳遞和氧化磷酸化過程有關(guān)[11]。本研究發(fā)現(xiàn),Aβ25-35可導(dǎo)致SH-SY5Y細胞ATP含量下降,而醒腦靜預(yù)處理可相對提高細胞內(nèi)ATP含量,提示醒腦靜預(yù)處理可減輕Aβ25-35引起的SH-SY5Y細胞ATP合成障礙。ATP是細胞內(nèi)能量儲存的主要形式,ATP高能磷酸鍵水解生成ADP所釋放的能量,可為細胞分裂增殖、離子轉(zhuǎn)運、信號傳導(dǎo)、神經(jīng)元軸突運輸?shù)壬砘顒犹峁﹦恿χС郑涯X靜預(yù)處理提高AD模型細胞內(nèi)ATP含量,有利于維持細胞正常新陳代謝、減少細胞凋亡。
線粒體是由流動的雙層單位膜套疊形成的封閉性膜囊結(jié)構(gòu),雙側(cè)單位膜分別稱為外膜和內(nèi)膜,外膜可允許分子量10000以下的小分子物質(zhì)自由通過,而內(nèi)膜對物質(zhì)的通透具有高度選擇性,是線粒體膜電位形成的基礎(chǔ)。線粒體膜電位下降是線粒體損傷和細胞凋亡的早期標志,研究發(fā)現(xiàn)Aβ干預(yù)海馬神經(jīng)元8 h后神經(jīng)元內(nèi)線粒體膜電位下降、細胞凋亡增加,其機制可能與Aβ激活多聚-ADP-核糖聚合酶(PARP)有關(guān)[12]。Rao等研究發(fā)現(xiàn)線粒體通透轉(zhuǎn)換孔(mPTP)開放在Aβ誘導(dǎo)的線粒體膜電位下降中也發(fā)揮作用,Aβ可與mPTP上的親環(huán)素-D相互作用,促進mPTP開放,引起線粒體膜電位下降[13]。本研究Aβ25-35干預(yù)SH-SY5Y細胞24 h后細胞線粒體膜電位顯著下降,與前期研究結(jié)果一致,而醒腦靜各組細胞線粒體膜電位較AD模型細胞明顯升高,提示醒腦靜預(yù)處理可減輕Aβ引起的線粒體膜電位下降,從而有利于維持線粒體膜正常通透性及線粒體內(nèi)膜兩側(cè)電荷梯度,穩(wěn)定細胞氧化呼吸及能量代謝。
線粒體膜電位下降是細胞凋亡的早期標志,醒腦靜可相對升高Aβ25-35誘導(dǎo)的SH-SY5Y細胞線粒體膜電位,可能具有抗Aβ誘導(dǎo)的細胞凋亡作用。本研究利用MTT法檢測細胞存活率,結(jié)果發(fā)現(xiàn)醒腦靜各組細胞存活率較AD模型組細胞明顯升高,提示醒腦靜預(yù)處理可抑制Aβ誘導(dǎo)的細胞凋亡。有研究發(fā)現(xiàn)醒腦靜可通過下調(diào)Caspase-3水平來抑制腦外傷、腦出血后神經(jīng)元凋亡[14-16],醒腦靜的抗神經(jīng)元凋亡作用可能與其調(diào)節(jié)Caspase-3活性有關(guān),Caspase-3是Caspase依賴凋亡途徑的主要下游分子,線粒體損傷后線粒體膜電位下降、ATP含量減少,線粒體通透性增加,可導(dǎo)致線粒體內(nèi)細胞色素C、內(nèi)核酸酶G、凋亡誘導(dǎo)因子等凋亡相關(guān)蛋白釋放,活化Caspase-3,啟動Caspase依賴細胞凋亡[17]。本研究發(fā)現(xiàn)醒腦靜可提高Aβ25-35干預(yù)后SH-SY5Y細胞存活率,同時可提高線粒體膜電位、ATP含量,推測醒腦靜抗神經(jīng)元凋亡作用可能與其減輕Aβ誘導(dǎo)的線粒體損傷,減少線粒體凋亡蛋白釋放有關(guān),但其對線粒體的保護作用機制尚有待進一步研究。
綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn)醒腦靜預(yù)處理可抑制Aβ25-35誘導(dǎo)的SH-SY5Y細胞凋亡,提高細胞存活率,其機制可能與醒腦靜提高細胞內(nèi)ATP含量及線粒體膜電位水平,發(fā)揮線粒體保護作用有關(guān),但其對線粒體的保護作用機制尚有待進一步研究。醒腦靜是臨床上廣泛用于腦血管病、腦外傷的治療,其安全性、有效性已獲得臨床認可,深入發(fā)掘醒腦靜在AD治療方面的潛在作用機制將有望為AD治療提供新的治療選擇。
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(2016-11-17收稿)
The protective effect of Xingnaojing on mitochondrial damage of SH-SY5Y cells induced by Aβ25-35proteins
ShangYaxiya,DuJumei*,ZhangLei,etal.
DepartmentofNeurology,TheSecondAffiliatedHospitalofShaanxiUniversityofChineseMedicine,Xianyang712000
Objective To investigate the protective effect of Xingnaojing on mitochondrial damage of SH-SY5Y cells induced by Aβ25-35proteins.Methods SH-SY5Y cells were divided into 5 groups: (1) normal control group(cells were cultured for 27 h), (2) AD cell model group(after 3h in normal culture, cells were treated with 25 μM Aβ25-35for 24h), (3) Xingnaojing low concentration group( before treatment with 25 μM Aβ25-35for 24h, cells were pretreated with 5 μl/mL Xingnaojing for 3 h), (4) Xingnaojing middle concentration group(before treatment with 25μM Aβ25-35for 24 h, cells were pretreated with 10 μl/mL Xingnaojing for 3 h), (5) Xingnaojing high concentration group(before treatment with 25 μM Aβ25-35for 24 h, cells were pretreated with 20 μl/mL Xingnaojing for 3 h). After treatment, cell viability was measured by MTT conversion, levels of mitochondrial membrane potential and ATP contents were evaluated by flow cytometry and UV-Spectrophotometric method respectively.Results cell viability significantly decreased in AD cell model group compared with normal control group(P<0.05), Xingnaojing(5,10,20 μl/mL) pretreatment significantly elevated cell viability compared with AD cell model group(P<0.05). Exposure of SH-SY5Y cells to Aβ25-35for 24 h reduced mitochondrial membrane potential and ATP contents(P<0.05), compared with AD cell model group, Xingnaojing(5,10,20 μl/mL) pretreatment significantly elevated ATP content and mitochondrial membrane potential(P<0.05).Conclusion Xingnaojing pretreatment could inhibit apoptosis of SH-SY5Y cells induced by Aβ25-35and improve cell viability, which might be related with Xingnaojing elevated intracellular ATP contents and the level of mitochondrial membrane potential to protect mitochondria.
Xingnaojing Alzheimer's disease Beta-amyloid proteins ATP Mitochondrial membrane potential
陜西中醫(yī)藥大學(xué)科研創(chuàng)新基金(項目編號2016PY20);陜西中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院專項科研計劃項目(項目編號2016ZD02)
712000 陜西省咸陽市陜西中醫(yī)藥大學(xué)(尚亞細亞);陜西中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院 [杜菊梅(通信作者)張磊 申艷方 張文青 梁風(fēng)俊]
R742
A
1007-0478(2017)04-0297-05
10.3969/j.issn.1007-0478.2017.04.005