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编号:10397778
三氧化二砷对U937细胞的诱导凋亡作用及其对细胞端粒酶活性的影响
http://www.100md.com 《中华实用医药杂志》 2003年第14期
     【摘要】 目的 探讨三氧化二砷对急性白血病U937细胞的诱导凋亡作用及其对细胞端粒酶活性的影响。方法 以不同浓度的三氧化二砷作用于体外培养的U937细胞,MTT法检测细胞生长抑制率,应用流式细胞仪及Hoechst33258荧光染色法观察细胞凋亡,TRAP-PCR-ELISA法检测细胞凋亡前后的端粒酶活性。结果 三氧化二砷可显著地降低U937细胞端粒酶活性,抑制细胞的生长,诱导细胞发生凋亡。并呈现出明显的量-效与时-效关系。结论 三氧化二砷能抑制U937细胞的生长并诱导细胞发生凋亡,降低细胞端粒酶活性可能是其重要作用机制之一。

    关键词 三氧化二砷 端粒酶 细胞凋亡

    【文献标识码】 A 【文章编号】 1609-6614(2003)14-1261-03

    Apoptotic effect and the influence of arsenic trioxide on leukemic U937cells
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    Liu Jiajun,Lu Huilin,Pan Xianglin,et al.

    Lab of Forensic and Biological Science,Medical College of Sun Yat-Sen University,

    Guangdong,Guangzhou510080.

    【Abstract】 Objective To investigate the apoptotic effect and the influence of arsenic trioxide on leukemic U937cells.Methods U937cells in culture mediumin vitro were given different concentrations of rsenictrioxide.The inhibitory ratio of the cells were measured by MTT assay,apoptosis was obsevered by flow cytometry(FCM)and Wright staining,and the activity of telomerase was detected using TRAP-PCR-ELISA before and after apoptosis ocˉcurred.Results Arsenic trioxide could decrease the telomerase activity,cause apoptosis and inhibit the growth of U937cells significantly.The suppression was both in time-and dose-dependent form.Conclusion Arsenic trioxide can inhibit the growth of U937cells and induce apoptosis,decreasing the telomerase activity of U937cells may be one of the most important mechamisms.
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    Key words arsenic trioxide telomerase apoptosis

    三氧化二砷(Arsenic trioxide,As 2 O 3 )是中药砒霜的主要成分,已有大量资料证明 [1] ,三氧化二砷除对急性

    早幼粒细胞性白血病具有明显的疗效外,对其他白血病细胞株HL-60及K562细胞以及某些实体瘤细胞也有明显的生长抑制及诱导凋亡作用。端粒酶是一种新型的肿瘤标志物,在造血系统的恶性肿瘤中端粒酶活性均显著增高,其中以急性白血病细胞活性最高,端粒酶的活化是肿瘤发生、发展的重要机制之一。为了探讨三氧化二砷对急性单核细胞白血病的作用机制,我们以体外培养的U937细胞为研究对象,观察了不同浓度的三氧化二砷对U937细胞的生长抑制及诱导凋亡作用,并检测了细胞端粒酶活性的变化,旨在探讨三氧化二砷对U937细胞的生长抑制及诱导凋亡机制。
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    1 材料与方法

    1.1 材料

    1.1.1 细胞系 急性白血病U937细胞株由山东大学肿瘤中心实验室提供。

    1.1.2 药物 三氧化二砷(As2O3 )为Sigma公司产品,溶于Hanks液中配制成1mmol/L为贮存液,保存于4℃。

    1.1.3 主要试剂 (1)RPMI1640:美国GIBCO公司产品。(2)小牛血清:杭州四季青生物制品厂产品。(3)端粒酶活性检测试剂盒:由山东大学遗传学教研室提供。(4)瑞氏染液、台盼蓝染液。

    1.1.4 主要仪器及设备 超净工作台(杭州产)、CO 2 细胞培养箱、普通及倒置显微镜(美国Olympus产品)、平板离心机(国产)、96孔培养板(Deta,美国)、FACScan型流式细胞仪(Becton Dickinson,美国)、普通及超低温冰箱、电热恒温干燥箱、微量移液器等。
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    1.2 方法

    1.2.1 细胞培养 将U937细胞接种于含10%灭活小牛血清的RPMI1640培养液中,在37℃、5% CO2 、饱和湿度下培养,每2~3天换液一次,取对数生长期的细胞进行实验,分别用各种浓度的三氧化二砷处理细胞,未加药组为对照组。

    1.2.2 细胞生长抑制率的测定 采用噻唑蓝(MTT)还原法进行检测。取对数生长期的U937细胞,调整细胞浓度为1×10 6/ml,将U937细胞分装于数个25ml的培养瓶中,每瓶为3ml,分别加入三氧化二砷(As2O3 )的储存液,使As 2 O 3 的终浓度分别为1、2、4、6μmol/L。取96孔板数个,每孔加入上述细胞悬液100μl,每种药物浓度为1组,每组设6个平行孔,根据实验设计培养不同长的时间。每组细胞培养不同的时间后从培养箱中取出,然后每孔加入MTT(5mg/ml)10μl,再继续培养4~6
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    h后取出,离心后吸去上清液,每孔加入DMSO100μl,再将培养板震荡摇匀5min左右,显微镜下观察着色颗粒消失后,在20min内以570nm为测试波长,630nm为参考波长,读取吸光度A值,根据如下公式计算细胞生长抑制率:细胞生长抑制率=[对照组A值-实验组A值]/对照组A值×100%。

    1.2.3 细胞形态学观察 在倒置显微镜下观察不同药物浓度对细胞形态学的影响。并将细胞离心沉淀,涂片后瑞氏染色,显微镜下观察细胞膜、胞浆及细胞核的各种改变。

    1.2.4 流式细胞仪检测细胞凋亡比例 收集不同药物浓度处理不同时间后的U937细胞,以PBS缓冲液清洗二次后再将细胞沉淀充分混匀,用70%的冷乙醇4℃固定24h以上。然后离心去除乙醇固定液,用PBS清洗一次后,加入200μg/ml去DNA酶的RNA酶,流式细胞仪分析不同DNA含量的细胞分布。应用Modifit L TL1.00(MAC)分析系统进行数据处理,低于G 1 期的细胞(亚G 1期)
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    为凋亡细胞,其占细胞总数的比例为凋亡细胞比例。

    1.2.5 端粒酶活性的检测 严格按试剂盒说明进行操作。具体步骤为:(1)提取端粒酶:收集10 6 个不同浓度药物处理后的细胞,用PBS洗涤2次,4℃3000×g离心10min后弃上清加入200μl CHAPS裂解液,冰浴30min,4℃12000×g离心20min后取上清液检测。(2)RT-PCR扩增:按试剂盒说明书进行。取上述提取物2μl,反应混合液25μl,加入DEPC处理的无菌重蒸水至总体积50μl,并按以下步骤循环:25℃30min循环1次,94℃5min循环1次,94℃30s,50℃30s,72℃90s,循环30次,再经72℃10min后置4℃保存。(3)检测扩增产物:取扩增产物5μl加入20μl变性液中,室温放置10min,再加入225μl杂交混合液,充分混匀,取100μl加入亲和素包被的酶标板内,37℃振荡孵育2h,加入抗DIG POD的抗体与之作用,最后加入POD的底物TMB显色,加入中止液中止反应,在自动酶标仪上测定450nm和690nm的吸光度(A)值。按A值=A450-A690计算。
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    2 结果

    2.1 三氧化二砷对U937细胞的生长抑制率测定 见图1。由图中可以看出,1μmol/L的三氧化二砷对细胞的生长无抑制作用,2μmol/L以上的药物浓度,随着药物作用时间的延长,细胞生长抑制率逐渐升高。

    2.2 细胞形态学的变化 2~6μmol/L的三氧化二砷处理U937细胞一定时间后,细胞的形态学发生不同的变化。48h后细胞的生长明显受到抑制,活细胞数量逐渐渐少。收集细胞涂片,瑞氏染色后可见大量的细胞碎片,有些细胞的胞浆中出现空泡,一部分细胞核内染色质浓缩成块状,有些染色质块聚集在核膜边缘或近贴核膜,染色质逐渐发生断裂,部分核膜逐渐崩解,染色质呈分叶状或形成粗细不均匀的碎块并相互分离,不均匀地分散于细胞浆中,呈现出细胞凋亡的典型变化(见图2)。以上各浓度的药物作用于U937细胞后均未见细胞的分化现象。

    2.3 细胞凋亡率的变化 见图3。由图3可以看出,随药物浓度的增加及作用时间的延长,细胞凋亡率逐渐升高。
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    2.4 细胞端粒酶活性的变化 见图4。由图4可以看出,随药物浓度的增加和作用时间的延长,细胞端粒酶活性逐渐下降,并呈现出剂量-效应与时间-效应关系。

    3讨论

    三氧化二砷是一种新型的抗白血病药物,其对急性早幼粒细胞白血病(APL)的治疗已取得了显著的疗效,目前已广泛的应用于临床 [2] 。三氧化二砷对急性白血病细胞具 有双重调节作用,低剂量浓度诱导肿瘤细胞分化、高浓度能诱导肿瘤细胞凋亡,这一特点在APL细胞中最为明显。大量的实验资料 [3~4] 表明,三氧化二砷诱导白血病细胞凋亡的机制主要与肿瘤凋亡调控基因如Bcl-2、Fas等的表达水平有关;此外,某些生化调节机制如细胞CD95/CD95L的表达水平、Caspase活性的变化等也参与了凋亡的调控。

    为了探讨三氧化二砷对急性单核细胞白血病的作用机制,我们以单核细胞白血病U937细胞株为研究对象,观察了细胞生长状态的变化,并对药物治疗前后的端粒酶活性进行了检测,我们的检测结果表明,2μmol/L以上的三氧化二砷能显著的降低细胞端粒酶的活性,明显抑制U937细胞的生长,诱导细胞发生凋亡,而且呈现出一定的时间-效应与剂量-效应关系。
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    端粒酶(telomerase)是一种特殊的核糖核蛋白多聚酶,由RNA和蛋白质构成,其中的RNA成分是端粒合成的摸板,其蛋白质成分是一种逆转录酶,因此,端粒酶的活化可以弥补复制造成的端粒缩短。“端粒-端粒酶学说”认为,大多数的肿瘤细胞均有端粒酶活性的显著升高,肿瘤细胞在其复制过程中,尽管其端粒不断缩短,甚至比相应的正常组织更短,但由于细胞在恶变过程中发生了端粒酶的再激活,因此仍表达端粒酶活性。由于持续存在高水平的端粒酶活性,细胞的端粒长度随着细胞的不断分裂仍保持相对的稳定,使得细胞成为一种“永生化”状态,因此,端粒酶活性的增加与肿瘤的发生、发展密切相关;大量的临床资料表明[5] ,造血系统的恶性肿瘤普遍表现出端粒酶活性,其中以急性白血病端粒酶活性最强,在白血病的不同阶段其端粒酶水平也不完全一样,端粒酶活性水平的高低与白血病的进展程度相一致,复发及难治性急性白血病的端粒酶水平明显高于缓解及恶性程度较低的急性白血病,端粒酶活性越高的白血病患者其化疗效果及预后越差,存活率也越低。因此,端粒酶活性的高低对于判断白血病的疗效、恶性程度、预后及复发等均具有重要的临床意义。
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    端粒酶活性的变化与细胞凋亡的关系目前尚未完全阐明,是端粒酶活性降低导致肿瘤细胞发生凋亡,还是细胞凋亡后继发端粒酶活性下降?目前多数资料认为,细胞凋亡调控过程中,多种因素如凋亡调控基因Bcl-2的表达水平下降、p53表达水平升高、Caspase3活性升高等均可在诱导细胞凋亡的过程中,使端粒酶活性下降,端粒酶活性的变化只是细胞发生凋亡过程中的一个伴随事件。但最近资料 [6] 显示,在细胞凋亡过程中,端粒酶可能起重要的调节机制,端粒酶活性下降可以促进细胞的程序性死亡过程,端粒酶活性抑制剂可以增加肿瘤细胞的凋亡率,而且可以增加其他化疗药物的临床疗效,端粒酶活性的变化与细胞凋亡之间的关系的原理尚有待于进一步研究。“抗端粒酶疗法”有可能成为一种广泛的抗肿瘤治疗方法,而且也是筛选新型抗肿瘤药物的重要指标之一。我们的研究结果表明,三氧化二砷能抑制U937细胞的生长并诱导细胞发生凋亡,对急性单核细胞白血病具有显著的体外抗白血病作用,降低细胞端粒酶活性可能是其重要作用机制之一。

    参考文献
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    1 Bachleitner-Hofmann T,Kees M,Gisslinger H,et al.Arsenic trioxˉide:acute promyelocytic leukemia and beyond.Leuk Lymphoma,2002,43(8):1535-1540.

    2 Mathews V,Balasubramanian P,Shaji RV,et al.Arsenic trioxide in the treatment of newly diagnosed acute promyelocytic leukemia:a single center experience.Am J Hematol,2002Aug,70(4):292-299.

    3 Mahieux R,Pise-Masison C,Gessain A,et.al.Arsenic trioxide inˉduces apoptosis in humanT-cell leukemia virus type1-and type2-infected cells by a caspase-3-dependent mechanism involving Bcl-2cleavage.Blood,2001,98(13):3762-3769.
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    4 Zhu J,Okumura H,Ohtake S,et al.Arsenic trioxide induces apoptosis in leukemia/lymphoma cell lines via the CD95/CD95L system.Oncol Rep,2003,10(3):705-709.

    5 Ohyashiki JH,Sashida G,Tauchi T,Telomeres and telomerase in hemaˉtologic neoplasia.Oncogene,2002,21(4):680-687.

    6 Nakajima A,Tauchi T,Sashida G Telomerase inhibition enhances apoptosis in human acute leukemia cells:possibility of antitelomerase therapy.Leukemia,2003,17(3):560-567.

    作者单位:1 510080广州中山大学中山医学院法医物证学实验室

    2 250033济南山东大学第二医院血液肿瘤中心

    (编 辑 罗彬), 百拇医药(刘加军)