楊怡圓 周仁鵬 候家琳 王麒瑞 梁奕敏 王丹茹
瘢痕疙瘩是以細胞外基質(Extracellular matrix,ECM)過度沉積于真皮,以及成纖維細胞過度增殖為特征的過度纖維化疾病[1-3],具體的病因學和形成機制尚未明確。目前,臨床上采用手術切除后進行放療的方法進行治療[4-5]。根據瘢痕疙瘩形成機制,針對有效靶點設計藥物進行治療是當前的研究熱點。
瘢痕疙瘩與腫瘤有一定的相似性[6-7],在生物能量代謝方面,瘢痕疙瘩成纖維細胞也表現(xiàn)出與腫瘤細胞相似的代謝特征:以糖酵解方式為主進行糖代謝。這種代謝方式使得瘢痕疙瘩成纖維細胞無論在常氧或缺氧環(huán)境下都能保證其增殖和存活[8]。M2型丙酮酸激酶(Pyruvate kinase M2,PKM2)是糖代謝中的關鍵酶之一,是調控有氧糖酵解的關鍵因子,并具有蛋白激酶活性和調控基因表達等其他功能[9-12]。但PKM2在瘢痕疙瘩成纖維細胞中的表達和作用尚未得到關注。本研究旨在初步評估PKM2對瘢痕疙瘩成纖維細胞功能的影響。
DMEM高糖培養(yǎng)基(Hyclone公司,美國);胎牛血清、0.25%EDTA-胰蛋白酶(Gibco公司,美國);Ⅰ型膠原酶(SERVA公司,德國);Trizol(Invitrogen公司,美國);逆轉錄試劑盒、Real-time PCR試劑盒(TaKaRa公司,日本);Ki67抗體(邁新公司);PKM2抗體(CST公司,美國);β-actin抗體(Affinity公司,美國);羊抗鼠/兔二抗(Jackson公司,美國);酶標羊抗小鼠/兔IgG(福州邁新生物技術開發(fā)有限公司);Collagen Ⅰ抗體、Collagen Ⅲ抗體(Abcam公司,美國);CCK - 8 細胞增殖檢測試劑盒(同仁化學,日本);EdU-555熒光細胞增殖檢測試劑盒(上海碧云天生物技術有限公司);PKM2-IN-1(MCE公司,美國);Seahorse XF分析儀(安捷倫公司,美國);Citation 5成像儀(BioTek公司,美國);StepOnePlus PCR儀(Life Technologies公司,美國)。
經患者知情同意后,收集我科手術獲取的未經任何藥物或激素治療的瘢痕疙瘩組織及手術切除部位周圍無瘢痕存在的正常皮膚組織,將這些組織取部分全層皮膚進行石蠟包埋,制備成石蠟塊保存?zhèn)溆?。余下組織在修剪表皮及多余皮下組織后用眼科剪剪成肉糜樣,加入0.3%膠原酶溶液,37 ℃消化4~6 h;經兩次離心、棄上清、培養(yǎng)基重懸后,將細胞接種于10 cm培養(yǎng)皿,放入37 ℃、5%CO2細胞培養(yǎng)箱。24 h后換液,鏡下觀察細胞生長情況。當細胞生長面積達培養(yǎng)皿80%~90%時,加入適量的0.25%EDTA-胰蛋白酶,37 ℃消化3 min。細胞變圓、部分細胞漂起時,加入2~3 mL完全培養(yǎng)基終止消化。1 000 r/min離心3 min,棄上清,加入適量完全培養(yǎng)基,此為第一代瘢痕疙瘩成纖維細胞或正常皮膚成纖維細胞,記為P1。后續(xù)實驗取P1~4成纖維細胞進行實驗。
以3~4 μm厚度制備瘢痕疙瘩組織和正常皮膚組織切片,二甲苯脫蠟,梯度乙醇脫水,檸檬酸鈉高溫高壓修復抗原2 min;4%H2O2去除內源性過氧化物酶;孵育一抗(PKM2、Ki67)和二抗(酶標羊抗小鼠/兔IgG);顯色、復染、返藍;無水乙醇脫水,晾干后用中性樹膠封片。根據文獻[13-14]的方法,采用免疫組化染色快速評分(Q)法:每張切片至少評價5個高倍鏡視野,評估其陽性細胞與染色強度;陽性細胞評分(P)按照陽性細胞數(shù)(N)占同類細胞數(shù)(M)的百分比評估,P=N/M×100%;染色強度評分(I)按照切片中細胞著色深淺評分,0分為細胞不著色,淺黃色為1分,棕黃色為2分,棕褐色為3分。根據Q=P×I計算免疫組化染色快速評分。
以每皿4×105個細胞將瘢痕疙瘩成纖維細胞和正常皮膚成纖維細胞分別接種于6 cm培養(yǎng)皿中,待細胞生長至90%后,用Trizol充分裂解細胞,按說明書提取細胞RNA,Nano Drop分光光度計測RNA濃度。使用逆轉錄試劑盒逆轉錄為cDNA,步驟參照試劑盒使用說明書。引物均由上海生工公司合成:β-actin(F 5′-TCCTCCTGAGCGCAAGTACTCT-3′、R 5′-GCTCAGTAACAGTCCGCCTAGA-3′;PKM1(F 5′- TTGTGCGAGCCTCAAGTCACT -3′、R 5′- CTGACGAGCTGTCTGGGGAT -3′;PKM2(F 5′-CGCATGCAGCACCTGATTG -3′、R 5′- CCACTGCAGCACTTGAAGGA -3′);COL1A1(F 5′- AGTGGTTTGGATGGTGCCAA -3′、R 5′- GCACCATCATTTCCACGAGC -3′);COL1A2(F 5′- TGGTCTCGGTGGGAACTTTG -3′、R 5′- CACCCTGTGGTCCAACAACT -3′);COL3A1(F 5′-CTTCTCTCCAGCCGAGCTTC -3′、R 5′- TAGTCTCACAGCCTTGCGTG -3′)。使用StepOnePlus PCR儀及Real-time PCR試劑盒進行熒光定時定量PCR擴增,以管家基因 β-actin的mRNA水平作為對照,通過2-△△Ct法來進行相對定量。
按每皿9×105個細胞將瘢痕疙瘩成纖維細胞和正常皮膚成纖維細胞分別接種于10 cm培養(yǎng)皿中,待細胞生長至90%后,用全細胞裂解液充分裂解細胞提取總蛋白,以每個樣品30 μg蛋白量進行SDS-PAGE。轉膜:按照陽極-海綿-濾紙-PVDF膜-凝膠-濾紙-海綿-陰極固定后進行濕轉;封閉:5%脫脂牛奶PBST溶液室溫封閉PVDF膜;加入相應一抗(PKM2、β-actin),4 ℃孵育過夜;洗膜后加入相應二抗(羊抗鼠/兔二抗),37 ℃孵育2 h。將顯影液均勻加到PVDF膜上,等待1 min后,暗室曝光。
提前24 h將兩種成纖維細胞分別接種于96孔板中,每孔細胞數(shù)約為2.5×104個,每組至少6個復孔;水化探針:在水化96孔板里加入細胞培養(yǎng)級的水200 μL,將探針板放在水化孔板上,置于37 ℃無CO2培養(yǎng)箱過夜后吸出。清洗細胞,保留每孔20 μL原始培養(yǎng)基,緩慢貼壁加入200 μL分析培養(yǎng)基,探針板每孔加入200 μL的XF校準液,置入37 ℃無CO2培養(yǎng)箱45~60 min備用。檢測用試劑按產品說明書配置,按順序在孔道A、B、C中依次加入glucose、oligomycin、2-DG相應試劑,使用Seahorse XF分析儀檢測,探針板與水化孔板組裝、校準后,將水化孔板替換成細胞培養(yǎng)板開始檢測。
1.7.1 PKM2抑制劑處理瘢痕疙瘩成纖維細胞
PKM2抑制劑(PKM2-IN-1)購自MCE公司(美國),按照說明書用細胞培養(yǎng)級的DMSO溶解藥物配制成10 mmol/L儲存液。使用時用DMSO稀釋儲存液至不同藥物濃度后,加入完全培養(yǎng)基,配制成含所需藥物濃度的培養(yǎng)液后用于后續(xù)實驗。
1.7.2 EdU-555熒光標記檢測細胞增殖
按每孔約2×104個細胞將瘢痕疙瘩成纖維細胞接種于24孔板中,預培養(yǎng)過夜。更換含不同濃度(0、0.5、2 μmol/L)PKM2抑制劑的完全培養(yǎng)基處理后,吸去1/2體積培養(yǎng)液,按EdU檢測試劑盒說明書配置2倍的EdU工作液并預熱,與剩余培養(yǎng)基等體積加入24孔板中,使24孔板中的EdU終濃度為10 μmol/L;繼續(xù)孵育細胞3 h進行EdU標記;4%多聚甲醛室溫固定15 min后洗滌細胞,每孔用500 μL的含0.3%Triton X-100的PBS(通透液)進行通透,室溫10~15 min;洗滌細胞1~2次。EdU染色:按說明書配制Click反應液,每孔加入300 μL的Click反應液,均勻覆蓋孔底,室溫避光30 min;細胞核染色:按說明書配制 Hoechst染色液,洗滌后每孔加300 μL,室溫避光孵育10 min;洗滌后使用Citation 5成像儀檢測。
1.7.3 CCK-8法檢測細胞增殖情況
按每孔約2 000個細胞將瘢痕疙瘩成纖維細胞接種至96孔板,在37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱中預培養(yǎng)24 h后更換為含PKM2抑制劑(濃度2 μmol/L)的完全培養(yǎng)基,每組至少3個復孔。繼續(xù)培養(yǎng)培養(yǎng) 24、48、72 h。PBS清洗細胞后,每孔加入90 μL的DMEM完全培養(yǎng)基與10 μL的CCK-8溶液,培養(yǎng)箱中繼續(xù)孵育2 h,酶標儀檢測450 nm處的光密度值。
1.7.4 Seahorse XF技術檢測細胞糖酵解功能
提前24 h將瘢痕疙瘩成纖維細胞接種于96孔板中,每孔細胞數(shù)約為2.5×104個,待細胞貼壁生長后,更換含不同濃度(0、0.5、1、2 μmol/L)PKM2抑制劑的完全培養(yǎng)基;后續(xù)步驟同1.6。
1.7.5 Western-blot檢測細胞中Ⅰ、Ⅲ型膠原的表達
按每皿4×105個細胞將兩種成纖維細胞分別接種于6 cm培養(yǎng)皿中,待細胞貼壁生長后,用含不同濃度(0、0.5、1、2 μmol/L)PKM2抑制劑的完全培養(yǎng)基處理瘢痕疙瘩成纖維細胞24 h。待細胞長滿至90%后,收集細胞,以全細胞裂解液提取細胞總蛋白,后續(xù)步驟同1.5,其中一抗為Collagen Ⅰ、Collagen Ⅲ、β-actin,二抗為羊抗鼠/兔二抗。
如圖1所示,PKM2在正常皮膚組織中陽性強度更弱、陽性范圍更少;在瘢痕疙瘩組織中,陽性產物呈棕黃色,主要定位在成纖維細胞內。免疫組化快速評分結果表明,PKM2在瘢痕疙瘩組織中的表達較正常皮膚組織明顯升高(P<0.001)。
A:免疫組化染色(藍色箭頭:染色陰性;紅色箭頭,染色陽性);B:免疫組化快速評分(***: P<0.001)A: Immunohistochemical staining (Blue arrow: negative staining; Red arrow: positive staining); B: Statistical results of immunohistochemistry score(***: P<0.001)圖1 免疫組化染色檢測PKM2在瘢痕疙瘩組織及正常皮膚組織中的表達Fig. 1 Expression of PKM2 in keloid tissue and normal skin tissue detected by immunohistochemistry
如圖2所示,mRNA水平檢測結果表明,瘢痕疙瘩成纖維細胞中的PKM2表達水平顯著高于正常皮膚成纖維細胞,且差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.01),由同一基因編碼的不同轉錄本PKM1的表達兩種細胞無顯著差異(P>0.05);Western-blot結果提示瘢痕疙瘩成纖維細胞的PKM2蛋白表達顯著高于正常皮膚成纖維細胞(P<0.05)。
A:Western-blot檢測PKM2蛋白表達;B:灰度值分析;C:Real-Time PCR檢測PKM2的mRNA水平(*: P<0.05; **: P<0.01)A: Expression of PKM2 by Western blot; B: Grayscale analysis; C: Expression of PKM2 mRNA by Real-time PCR (*: P<0.05; **: P<0.01)圖2 正常皮膚成纖維細胞和瘢痕疙瘩成纖維細胞PKM2表達Fig. 2 Expression of PKM2 in KFs and NFs
Ki67是常用的增殖相關標志物。圖3表明,Ki67蛋白免疫組化陽性染色定位于細胞核,陽性產物呈棕黃色;Q值統(tǒng)計顯示瘢痕疙瘩真皮層中Ki67表達明顯高于正常皮膚組織(P<0.01)。
瘢痕疙瘩成纖維細胞中COL1A1與COL1A2的mRNA表達水平明顯高于正常皮膚成纖維細胞,兩者差異具有顯著性(P<0.001),而COL3A1的mRNA表達未見明顯差異(P>0.05);相比正常皮膚成纖維細胞,瘢痕疙瘩成纖維細胞中Ⅰ型膠原與Ⅲ型膠原mRNA的比例發(fā)生改變(圖4)。
A:免疫組化染色(藍色箭頭:染色陰性;紅色箭頭,染色陽性);B:免疫組化快速評分A: Immunohistochemical staining (Blue arrow: negative staining; Red arrow: positive staining); B: Statistical results of immunohistochemistry score圖3 免疫組化檢測Ki67在瘢痕疙瘩組織及正常皮膚組織中的表達(**: P<0.01)Fig. 3 Expression of Ki67 in keloid tissue and normal skin tissue detected by immunohistochemistry (**: P<0.01)
A:COL1A1、COL1A2及COL3A1的mRNA表達;B:Ⅰ型膠原與Ⅲ型膠原mRNA比例(***: P<0.001)A: The relative mRNA expression of COL1A1,COL1A2 and COL3A1; B: Expression ratio of collagen Ⅰ and collagen Ⅲ (***: P<0.001)圖4 Real-time PCR 檢測正常皮膚成纖維細胞和瘢痕疙瘩成纖維細胞中COL1A1、COL1A2及COL3A1的mRNA表達Fig. 4 The relative mRNA expression of COL1A1, COL1A2 and COL3A1 detected by Real-time PCR
實驗以細胞外基質酸化率(Extra-cellular acidification rate,ECAR)為指標進行記錄。加入葡萄糖前的ECAR水平為非糖酵解酸化,加入葡萄糖后增加的ECAR水平為糖酵解水平,加入寡霉素后繼續(xù)增加的ECAR值代表糖酵解儲備,在加入2-DG之前所測得的最大ECAR值與非糖酵解酸化之差反映了細胞的糖酵解最大能力。瘢痕疙瘩成纖維細胞的非糖酵解酸化、糖酵解水平、糖酵解儲備、糖酵解最大能力分別比正常皮膚成纖維細胞高出約1.9倍、2.3倍、1.6倍和2.1倍(圖5)。
應用PKM2抑制劑(PKM2-IN-1)處理瘢痕疙瘩成纖維細胞后,其增殖受到抑制,且呈濃度依賴性。分別用0、0.5、2 μmol/L的PKM2抑制劑處理細胞24 h后,統(tǒng)計成纖維細胞EdU陽性率。結果顯示,空白對照組與條件對照組中瘢痕疙瘩成纖維細胞EdU陽性率無統(tǒng)計學差異,實驗組EdU陽性率相比條件對照組(0 μmol/L)明顯下降,低濃度(0.5 μmol/L)時即表現(xiàn)出了明顯的抑制作用,中濃度(2 μmol/L)時細胞增殖率下降超過50%;選用藥物濃度2 μmol/L的PKM2抑制劑分別作用于瘢痕疙瘩成纖維細胞24 h、48 h、72 h后,CCK-8結果顯示瘢痕疙瘩成纖維細胞生長曲線顯著下降(圖6)。
如圖7所示,應用PKM2抑制劑(PKM2-IN-1)處理瘢痕疙瘩成纖維細胞后,其產酸水平顯著降低,且隨PKM2抑制劑濃度增加,而逐漸下降。其中瘢痕疙瘩成纖維細胞的非糖酵解酸化并未表現(xiàn)出明顯變化;糖酵解水平分別下降至對照組(0 μmol/L)的0.77倍(0.5 μmol/L)、0.37倍(1 μmol/L)、0.23倍(2 μmol/L);糖酵解儲備分別下降至對照組(0 μmol/L)的0.72倍(0.5 μmol/L)、0.12倍(1 μmol/L)、0.002倍(2 μmol/L);糖酵解的最大能力分別下降至對照組(0 μmol/L)的0.76倍(0.5 μmol/L)、0.33倍(1 μmol/L)、0.19倍(2 μmol/L)。
A:ECAR曲線;B:非糖酵解酸化;C:糖酵解水平;D:糖酵解最大能力;E:糖酵解儲備(*:P<0.05)A: ECAR curve; B: Non-glycolysis acidification; C: Glycolysis; D: Glycolytic maximum capacity; E: Glycolysis reserve(*: P<0.05)圖5 瘢痕疙瘩成纖維細胞與正常皮膚成纖維細胞糖酵解壓力測試Fig. 5 Glycolysis stress test of KFs and NFs
A:EdU熒光染色;B:EdU陽性細胞比例統(tǒng)計;C:CCK-8法測定細胞生長曲線(*:P<0.05;***: P<0.001)A: EdU staning; B: Quantitative EdU positive cell rates; C: CCK-8 showed the proliferation vitality of KFs(*:P<0.05;***: P<0.001)圖6 PKM2-IN-1對瘢痕疙瘩成纖維細胞增殖的影響Fig. 6 Effect of PKM2-IN-1 on proliferation in KFs
加入不同濃度PKM2抑制劑后,瘢痕疙瘩成纖維細胞Ⅰ型膠原蛋白表達水平隨著PKM2抑制劑濃度增加而顯著減少,Ⅲ型膠原蛋白表達水平并無明顯變化(圖8)。
A:ECAR曲線;B:非糖酵解酸化;C:糖酵解水平;D:糖酵解最大能力;E:糖酵解儲備(P-IN-1:PKM2-IN-1;**: P<0.01;***: P<0.001)A: ECAR curve; B: Non-glycolysis acidification; C: Glycolysis; D: Glycolytic maximum capacity; E: Glycolysis reserve (P-IN-1: PKM2-IN-1; **: P<0.01; ***: P<0.001)圖7 PKM2-IN-1對瘢痕疙瘩成纖維細胞糖酵解的影響Fig. 7 Effect of PKM2-IN-1 on glycolysis metabolism in KFs
A:Western-blot檢測Ⅰ、Ⅲ型膠原蛋白表達; B:Ⅰ型膠原灰度值分析;C:Ⅲ型膠原灰度值分析(***: P<0.001)A: Expression of collagen Ⅰ and collagen Ⅲ by Western blot; B: Grayscale analysis of collagen Ⅰ; C: Grayscale analysis of collagen Ⅲ (***: P<0.001)圖8 PKM2-IN-1對瘢痕疙瘩成纖維細胞膠原合成的影響Fig. 8 Effect of PKM2-IN-1 on collagen synthesis in KFs
近年來,瘢痕疙瘩的治療取得了極大的進展,但其形成機制仍未完全闡明?!澳[瘤”類型瘢痕疙瘩具有明顯的腫瘤臨床特征,同時伴有癌基因激活,提示瘢痕疙瘩具有腫瘤相關特性。既往的研究顯示,瘢痕疙瘩具有與腫瘤相似的糖代謝相關改變[8,15-16],但目前研究成果較少,且未針對某一特定靶點進行闡述。
本研究發(fā)現(xiàn),瘢痕疙瘩成纖維細胞糖酵解功能上調,其糖酵解水平與糖酵解最大能力也顯著增高。PKM2在瘢痕疙瘩成纖維細胞中高表達;在抑制PKM2后瘢痕疙瘩成纖維細胞糖酵解功能下調,并隨抑制劑濃度增高,其糖酵解功能的下調作用越明顯。意味著瘢痕疙瘩成纖維細胞中高表達的糖酵解關鍵基因PKM2可調控其糖代謝改變。寡霉素是ATP合成抑制劑,可抑制線粒體呼吸并將能量更多地轉移進糖酵解通路。經寡霉素處理后出現(xiàn)糖酵解儲備意味著在模擬線粒體氧化通路阻斷后,糖酵解的代償能力增加。本研究中,瘢痕疙瘩成纖維細胞的糖酵解儲備增高并未顯示出顯著性,可能是瘢痕疙瘩患者具有個體差異及樣本量有限所致??紤]到其糖酵解水平及糖酵解最大能力均顯著高于正常皮膚成纖維細胞,我們仍認為瘢痕疙瘩成纖維細胞的糖酵解活性是上調的。細胞非糖酵解酸化中包括其他生化途徑產生的酸性物質,例如CO2溶于水形成的酸。瘢痕疙瘩成纖維細胞非糖酵解酸化率顯著性增高,說明在糖酵解之外,其他代謝途徑可能也存在上調情況。抑制PKM2對瘢痕疙瘩成纖維細胞的非糖酵解酸化率影響沒有顯著改變,進一步說明PKM2是糖酵解關鍵基因,對其他代謝通路沒有顯著影響。
PKM1與PKM2都由PKM基因編碼,通過PKM前體mRNA可變剪接,產生含有特異性外顯子9的PKM1和特異性外顯子10的PKM2[11]。瘢痕疙瘩成纖維細胞與正常皮膚成纖維細胞PKM1表達并無差異,PKM2表達顯著上調,說明PKM基因中PKM2尤為關鍵。
Ki67是一種增殖細胞相關蛋白,定位于細胞核內,其功能與有絲分裂密切相關。在細胞周期中的分裂間期其表達水平很低,而在有絲分裂期表達水平達到峰值。Ki67作為增殖相關標志物之一,在臨床病理分析中應用十分廣泛,因此本實驗對瘢痕疙瘩及正常皮膚組織切片進行了Ki67的免疫組化染色及半定量分析。EdU是一種胸腺嘧啶核苷酸類似物,代替胸腺嘧啶參與DNA的復制。后續(xù)體外實驗中,CCK-8生長曲線可直觀顯示細胞數(shù)量變化,EdU摻入法可準確反映DNA的復制水平,充分說明瘢痕疙瘩成纖維細胞具有更高的增殖活性且通過抑制PKM2可抑制其增殖。
Ⅰ、Ⅲ型膠原與傷口愈合關系密切。早期研究發(fā)現(xiàn),瘢痕疙瘩組織Ⅰ、Ⅲ型膠原中的mRNA水平分別上調19.2倍和20.1倍[17],而近期相關組織學研究顯示瘢痕疙瘩組織中Ⅰ、Ⅲ型膠原比例為17∶1,遠高于普通瘢痕的6∶1[18-19]。這說明Ⅰ型膠原的異常增多在瘢痕疙瘩形成中尤為關鍵。本研究顯示,隨著PKM2抑制劑濃度增高,Ⅰ型膠原纖維蛋白表達逐漸減少,Ⅲ型膠原纖維蛋白無明顯差異,兩者的比值下降。我們推測在瘢痕疙瘩中PKM2可能主要影響Ⅰ型膠原的合成,而兩者比例下降更是一個積極的結果。
本研究顯示,PKM2可以影響瘢痕疙瘩成纖維細胞的增殖、糖代謝及膠原合成,但其在瘢痕疙瘩發(fā)病機制中的作用還有待于進一步闡明。
綜上所述,PKM2在瘢痕疙瘩成纖維細胞中高表達,抑制PKM2可抑制瘢痕疙瘩成纖維細胞的糖酵解功能、增殖以及膠原合成。本研究為揭示瘢痕疙瘩發(fā)病相關機制與治療藥物開發(fā)提供了新的思路及研究基礎。