В этом протоколе представлен метод оценки апоптоза, опосредованного активными формами кислорода (АФК), индуцированного природными соединениями в клетках немелкоклеточного рака легкого (НМРЛ).
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Исследовательская статья
* These authors contributed equally
В этом протоколе представлен метод оценки апоптоза, опосредованного активными формами кислорода (АФК), индуцированного природными соединениями в клетках немелкоклеточного рака легкого (НМРЛ).
В этом исследовании изучается противоопухолевый потенциал Pileostegia tomentella, с особым акцентом на ее способность индуцировать классический апоптоз в клетках H1299 немелкоклеточного рака легкого (НМРЛ) через опосредованные активные формы кислорода (АФК). Используя подход к выделению, управляемый биологической активностью, два активных соединения, умбеллиферон (UMB) и эпи-вогелозид, были идентифицированы как основные цитотоксические компоненты. Оба соединения проявляли значительное ингибирующее действие на жизнеспособность клеток и эффективно вызывали апоптотическую гибель клеток в клетках H1299. Механистические исследования показали, что лечение UMB и эпи-вогелозидом привело к заметному увеличению внутриклеточных уровней АФК, что является ключевым медиатором окислительного стресса. Вестерн-блоттинг выявил повышение уровня расщепленной каспазы-3 и снижение экспрессии антиапоптотического белка Bcl-2, что указывает на активацию внутреннего митохондриального апоптотического пути. Кроме того, транскриптомное профилирование показало обширные изменения в экспрессии генов, что еще больше способствует нарушению клеточного гомеостаза. Эти результаты свидетельствуют о том, что Pileostegia tomentella и ее активные компоненты являются перспективными в качестве потенциальных терапевтических агентов для лечения рака легких.
Рак представляет собой огромную глобальную проблему для общественного здравоохранения, характеризующуюся значительным ежегодным уровнем смертности. Немелкоклеточный рак легкого (НМРЛ) является основным глобальным фактором смертности, связанной с раком, составляя примерно 85% случаев рака легких1. Канцерогенез, по своей сути сложное взаимодействие молекулярных и клеточных процессов, находится под критическим влиянием нарушений гомеостаза активных форм кислорода (АФК). АФК, которые включают нестабильные окислители, такие как супероксидные анионы, гидроксильные радикалы и перекись водорода, являются побочными продуктами нормального клеточного метаболизма и выполняют важные функции в передаче сигналов, пролиферации, дифференцировке и апоптозе. Дисбаланс концентраций АФК может вызвать окислительный стресс, потенциально активируя запрограммированные пути гибели клеток, в частности аутофагию и апоптоз, тем самым препятствуя пролиферациии выживанию раковых клеток. Следовательно, АФК играют двойную роль в онкологии, действуя как промоторы и супрессоры опухолевой прогрессии. За последнее десятилетие терапевтические стратегии лечения НМРЛ значительно продвинулись вперед, с разработкой новых противоопухолевых агентов, предназначенных для использования этой дихотомической природы АФК, представляющей собой особенно яркуюобласть исследований.
Известно, что многочисленные химически синтезированные противоопухолевые агенты, такие как адриамицин (доксорубицин), цисплатин и циклофосфамид, вызывают апоптоз в раковых клетках, стимулируявыработку АФК. Несмотря на достижения в области таргетной терапии и иммунотерапевтических антител, химиотерапия на основе платины продолжает оставаться краеугольным камнем лечения пациентов с НМРЛ. Тем не менее, появление резистентности и неблагоприятных побочных эффектов от химиотерапии требует разработки новых препаратов против НМРЛ. Следовательно, изучение природных источников противоопухолевых соединений все чаще признается своей важностью и потенциалом. Недавние исследования показали, что некоторые растительные экстракты и их активные компоненты проявляют мощные противоопухолевые свойства, характеризующиеся низкой токсичностью, высокой специфичностью и способностью воздействовать на несколько путей6. Примечательно, что некоторые из этих природных соединений могут модулировать уровни АФК и передачу сигналов7, тем самым вызывая аутофагию или апоптоз в раковых клетках и оказывая терапевтическое воздействие 8,9.
Pileostegia tomentella Рука. Цук, многолетнее травянистое растение из рода Клематис семейства Лютиковые (Buttercupaceae), преимущественно встречается в таких регионах, как Япония, Северная Корея и Китай. Различные компоненты растения, включая корни, стебли, листья и цветы, известны своими лечебными свойствами, обеспечивающими такие преимущества, как выведение тепла, детоксикация, уменьшение отеков, облегчение боли, а также антибактериальное и противовоспалительное действие. Недавние исследования пролили свет на противораковую активность экстрактов или активных ингредиентов Hoshi Hairy Vine, продемонстрировав супрессивное действие опухоли на ряд видов рака, включая глиому, рак молочной железы, толстой кишки и шейки матки10. Тем не менее, специфические противоопухолевые механизмы Pileostegia tomentella, в частности, ее потенциальная роль в модулировании АФК для индуцирования аутофагии или апоптоза в раковых клетках, остаются в значительной степени неизученными.
Несмотря на растущий интерес к природным соединениям для терапии рака, проапоптотические механизмы ключевых компонентов Pileostegia tomentella при раке легких остаются неизученными. В этом исследовании впервые была проведена идентификация и механистическое препарирование умбеллиферона и эпи-вогелозида в качестве селективных индукторов АФК-зависимого апоптоза при НМРЛ.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Реагенты и оборудование, использованные в данном исследовании, перечислены в Таблице материалов.
1. Химический состав Pileostegia tomentella и прогнозирование мишени НМРЛ
Химические составляющие Pileostegia tomentella были проанализированы с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии в сочетании с линейной ионной ловушкой — масс-спектрометрией Orbitrap (ВЭЖХ-LTQ/МС). Экстракты растворяли в соответствующих растворителях и фильтровали перед инъекцией. Хроматографическое разделение было достигнуто с использованием колонки с обращенной фазой в рамках программы градиентного элюирования, адаптированной для классов соединений. Данные масс-спектрометрии собирали в режиме положительной ионизации электроспреем в диапазоне масс 100-1500 м/з. Молекулярные структуры идентифицированных соединений были построены с помощью общего программного обеспечения для химического рисования и сохранены в формате SDF. Эти структурные файлы были представлены в онлайн-инструмент прогнозирования целей для идентификации потенциальных биологических целей, при этом 20 основных целей были выбраны для дальнейшей проверки. Мишени, ассоциированные с НМРЛ, были извлечены из общедоступной базы данных генов. Перекрывающиеся мишени из обоих наборов данных были идентифицированы как потенциальные терапевтические мишени Pileostegia tomentella.
2. Построение компонентно-целевой сети
Данные о белок-белковых взаимодействиях для предсказанных мишеней были получены из базы данных белковых взаимодействий с открытым доступом. Данные о взаимодействии были импортированы в программное обеспечение для общей визуализации сети для построения сети взаимодействия «составной-целевой объект». Топологические свойства сети, включая центральность степени, промежуточность и близость, были проанализированы с использованием встроенных аналитических инструментов для определения ключевых регуляторных узлов.
3. Анализ пути обогащения KEGG
Функциональное обогащение предсказанных целевых белков проводили с помощью анализа путей KEGG с помощью общедоступных инструментов обогащения и статистического программного обеспечения. Пути со скорректированными p-значениями менее 0,05 были признаны значимыми. Значимые пути были интегрированы с данными о составе-мишенях для построения сети взаимодействия «состав-мишень-путь» с использованием общего программного обеспечения для визуализации сети. Анализ топологии сети выявил ключевые биологические регуляторные узлы, иллюстрирующие многокомпонентные и многоцелевые механизмы Pileostegia tomentella.
4. Экстракция компонентов Pileostegia tomentella
Высушенные стебли винограда Corydalis spinosa измельчали в мелкий порошок. Порошкообразный материал экстрагировали 70% этанолом под ультразвуковой обработкой при комнатной температуре в течение определенного периода времени. Сырой экстракт фильтровали и концентрировали при пониженном давлении. Разделение жидкость-жидкость проводили с использованием растворителей с возрастающей полярностью, в том числе петролейного эфира, этилацетата и н-бутанола. Фракцию этилацетата, которая показала наибольшую биологическую активность в предварительных анализах, собирали, концентрировали, лиофилизировали и хранили при температуре -20 °С до дальнейшего использования.
5. Клеточная линия и условия лечения
Клеточную линию рака легкого человека H1299 культивировали в среде RPMI 1640 с добавлением 10% фетальной бычьей сыворотки при 37 °C во влажной атмосфере, содержащей 5%CO2. Клетки засеивали до соответствующей плотности и оставляли прилипнуть в течение ночи перед обработкой. Клетки подвергались воздействию различных концентраций (500 г/мл, 750 г/мл и 1000 г/мл) двух испытуемых соединений, UMB и эпи-вогелозида, как указано в таблице 1. После 24 часов инкубации в стандартных условиях культивирования клетки собирали для последующих анализов с целью оценки биологических эффектов соединений.
6. МТТ-анализ на жизнеспособность клеток
Цитотоксические эффекты соединений оценивали с помощью колориметрического МТТ-анализа. Клетки H1299 засеивали в 96-луночные планшеты с определенной плотностью и оставляли для прилипания в течение ночи. Затем клетки обрабатывали исследуемыми соединениями в течение 72 ч в стандартных условиях культивирования. После обработки раствор МТТ добавляли в каждую лунку и инкубировали, чтобы позволить жизнеспособным клеткам превращать МТТ в нерастворимые фиолетовые кристаллы формазана. После инкубации среду удаляли, а кристаллы формазана растворяли в диметилсульфоксиде (ДМСО). Поглощение измеряли на длине волны 570 нм с помощью считывателя микропланшетов. Значения абсорбции соответствуют жизнеспособности клеток, обеспечивая количественную оценку цитотоксичности соединения.
7. Оценка целостности мембраны с помощью высвобождения ЛДГ
Целостность клеточной мембраны оценивали путем измерения высвобождения лактатдегидрогеназы (ЛДГ) в качестве показателя цитотоксичности. Клетки H1299 обрабатывали исследуемыми соединениями в течение 24 ч, 48 ч или 72 ч. В каждый момент времени супернатанты культуры собирались и подвергались анализу активности LDH в соответствии с протоколом производителя. Поскольку ЛДГ высвобождается только из клеток с поврежденными мембранами, измеренные значения абсорбции отражают степень повреждения мембраны, вызванного соединениями с течением времени.
8. Проточный цитометрический анализ апоптоза
Индукцию апоптоза оценивали методом проточной цитометрии с использованием окрашивания аннексином V и 7-аминоактиномицином D (7-AAD). После обработки исследуемыми соединениями клетки H1299 собирали центрифугированием, промывали холодным фосфатно-солевым буфером и ресуспендировали в связывающем буфере. Затем клетки инкубировали с аннексином V, конъюгированным с флуоресцентным красителем и 7-AAD в соответствии с протоколом окрашивания. Образцы были немедленно проанализированы с помощью проточной цитометрии. Этот метод позволил дифференцировать жизнеспособные клетки (неокрашенные), ранние апоптотические клетки (аннексин V положительный, 7-AAD отрицательный) и поздние апоптотические или некротические клетки (положительные для обоих окрашивателей).
9. Количественное определение внутриклеточных АФК
Внутриклеточные уровни активных форм кислорода (АФК) измеряли с помощью флуоресцентного анализа. Клетки H1299 засеивали в 12-луночные планшеты с плотностью 1 × 10-5 клеток на лунку и культивировали до достижения приблизительно 80% конфлюенции. Затем клетки обрабатывали указанными соединениями в течение 72 ч. После обработки клетки инкубировали с 1 мкМ чувствительного к АФК флуоресцентного зонда 2',7'-дихлордигидрофлуоресцеина диацетата (DCFH-DA) при 37 °C в течение 30 мин в темноте. После инкубации клетки собирали, а интенсивность флуоресценции измеряли на длине волны излучения 525 нм с помощью считывателя флуоресцентных микропланшетов. Интенсивность флуоресценции соответствует уровню внутриклеточных АФК.
10. Количественная ПЦР в реальном времени (ОТ-кПЦР)
Клетки H1299 засеивали в 6-луночные планшеты с плотностью 2 × 10-5 клеток на лунку и культивировали до достижения примерно 80% конфлюенции. Затем клетки обрабатывали указанными соединениями в течение 72 ч. Общую РНК экстрагировали с помощью широко используемого фенол-хлороформного метода. Синтез комплементарной ДНК (кДНК) проводили с помощью набора для обратной транскрипции в соответствии с инструкцией производителя. Количественная ПЦР в реальном времени (qRT-PCR) проводилась с использованием системы ПЦР в реальном времени со специфическими праймерами (перечислены в таблице 2). Относительные уровни экспрессии генов рассчитывали с помощью сравнительного метода Ct, при этом в качестве внутреннего контроля использовались гены хозяйству.
11. Иммуноблоттинг для экспрессии белка
Вестерн-блоттинг проводили на культивируемых и обработанных клетках H1299. Общий белок экстрагировали с использованием соответствующего буфера для лизиса, а лизаты осветляли центрифугированием при 10 000 × г в течение 15 мин при 4 °С. Концентрации белков определяли с помощью спектрофотометрического анализа. Равное количество белка из каждого образца разделяли с помощью SDS-PAGE и переносили на мембрану из поливинилидендифторида (PVDF). Мембраны блокировали 5% обезжиренным сухим молоком в течение 2 ч при комнатной температуре, а затем инкубировали в течение ночи при 4 °C первичными антителами, специфичными к Bcl-2, каспазе-3, PARP1, BAX, GAPDH и тубулину в оптимизированных разведениях. После промывки мембраны инкубировали с соответствующими вторичными антителами в течение 2 ч при комнатной температуре. Белковые полосы были визуализированы и визуализированы с использованием хемилюминесцентной субстрата. Денситометрический анализ был выполнен с помощью программного обеспечения для анализа изображений, а интенсивности полос были нормализованы на GAPDH и тубулин в качестве контроля нагрузки.
12. Иммунофлуоресцентная микроскопия каспазы-3
Экспрессию и субклеточную локализацию каспазы-3, ключевого апоптотического белка, оценивали с помощью иммунофлуоресцентного окрашивания. После обработки клетки H1299 фиксировали параформальдегидом, проникали мягким раствором детергента и инкубировали с первичным антителом против каспазы-3. Затем применяли флуоресцентно меченное вторичное антитело для обнаружения сигнала первичного антитела. Ядра клеток окрашивали с помощью ДНК-связывающего флуоресцентного красителя. Окрашенные клетки визуализировали под флуоресцентным микроскопом. Интенсивность и клеточное распределение флуоресцентного сигнала предоставили качественную и пространственную информацию об активации каспазы-3, подтверждая ее участие в индуцированном соединением апоптотическом ответе.
13. Транскриптомное секвенирование
Для профилирования клеточного транскрипционного ответа на исследуемые соединения из обработанных клеток H1299 выделяли общую РНК и оценивали ее целостность с использованием стандартных методов контроля качества. Библиотеки секвенирования были подготовлены в соответствии с установленными протоколами и подвергнуты высокопроизводительному секвенированию с использованием платформы секвенирования нового поколения. Необработанные данные секвенирования обрабатывались с помощью обычного биоинформатического конвейера, который включал фильтрацию контроля качества, выравнивание по референсному геному и количественную оценку распространенности транскриптов. Дифференциальный анализ экспрессии генов был проведен для выявления генов со статистически значимыми изменениями экспрессии после лечения. Обогащение и анализ путей дифференциально экспрессируемых генов были проведены для выяснения ключевых биологических процессов, на которые влияют соединения, тем самым обеспечив всесторонний транскриптомный обзор их молекулярных эффектов.
14. Статистический анализ
Все данные выражены в виде среднего значения ± стандартного отклонения (SD) по крайней мере трех независимых экспериментов. Статистическая значимость между группами определялась с использованием стандартных методов, включая t-критерий Стьюдента или однофакторный ANOVA, где это уместно. Различия считались статистически значимыми для P-значений менее 0,05.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Скрининг ключевых компонентов Pileostegia tomentella на фоне рака легких
Обзор плана эксперимента представлен на рисунке 1. С помощью HPLC-LTQ/Orbitrap MS были охарактеризованы семь основных биологически активных компонентов, присутствующих в Pileostegia tomentella (Таблица 3). Впоследствии для этих соединений проводили прогнозирование мишеней in silico с использованием базы данных11
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Немелкоклеточный рак легкого (НМРЛ) остается насущной проблемой глобального здравоохранения, характеризуясь своей агрессивной биологией, быстрым клиническим прогрессированием и высоким метастатическим потенциалом, что часто приводит к плохим исходам для пациентов12. Хотя стандартные вмешательства, такие как хирургическая резекция, лучевая терапия и химиотерапия, обеспечивают терапевтический эффект на ранних стадиях заболевания, их эффективность снижается на поздни...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
У авторов нет конфликта интересов, о котором можно было бы заявить.
Эта работа была поддержана Проектом высокого уровня по построению ключевой дисциплины традиционной китайской медицины - Аптека этнических меньшинств (Аптека Чжуан) от Государственного управления традиционной китайской медицины (No zyyzdxk-2023165); Программа развития талантов «Молодежный проект» Международной медицинской больницы Чжуан провинции Гуанси (No 2022001); Проект междисциплинарной команды кросс-инноваций в китайской медицине провинции Гуанси (No. GZKJ2309); Программа инноваций высокого уровня по развитию талантов Университета традиционной китайской медицины Гуанси (No 2022A008); Ключевой проект исследований и разработок Департамента науки и технологий провинции Гуанси (No. Гуй Кэ AB21196057); Трехлетний план действий на 2023 год по строительству команды талантов высокого уровня для Международной медицинской больницы Чжуан в Гуанси (No GZCX20231203, GZCX20231202); Третий набор программы по развитию команды талантов высокого уровня «Проект Цихуан» Университета традиционной китайской медицины провинции Гуанси (No 202414).
ВКЛАД АВТОРА:
Вэнь Чжун, Лэйминь Цзян и Бин Цин внесли равный вклад в эту работу и являются первыми авторами. Они в первую очередь отвечали за планирование экспериментов, сбор данных и интерпретацию результатов. Сюмэй Ма провел анализ данных и внес свой вклад в подготовку рукописи. Ши Сяньи, Дэн Цинмэй и Чжоу Гуанъюнь участвовали в разработке исследования, сборе данных и изучении литературы. Цзянцунь Вэй, автор-корреспондент, руководил анализом и интерпретацией данных и играл ведущую роль в составлении и редактировании рукописи.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Приложение V– Набор для обнаружения апоптоза PE / 7-AAD | BD Biosciences | 556547 | Обнаружение апоптоза на основе проточной цитометрии |
| Антитело: BAX | Абкам | АБ32503 | Вестерн-блот на проапоптотический белок |
| Антитело: Bcl-2 | Абкам | АБ182858 | Вестерн-блоттинг/иммунофлюоресценция |
| Антитело: расщепленная каспараза-3 | Абкам | АБ32042 | Вестерн-блоттинг / ПЧ |
| Антитело: GAPDH | Абкам | АБ8245 | Внутренний контроль в вестерн-блоттинге |
| Антитело: PARP1 | Абкам | АБ32064 | Вестерн-блот на маркер апоптоза |
| Антитело: Тубулин | Абкам | АБ78078 | Внутренний контроль в вестерн-блоттинге |
| ХимДроу | PerkinElmer Информатика | CCG821391 | Построение структуры малых молекул |
| Система хемилюминесцентной визуализации | Танон Наука и Технологии | Танон 5200 | Для визуализации белковых полос |
| Цитоспейп | Cytoscape.org | https://cytoscape.org | Построение и анализ сетей |
| Ядерное пятно DAPI | Сигма | Д9542 | Синее ядерное противопятно для ПЧ |
| ДАВИД | НИЗ | https://david.ncifcrf.gov | Функциональное аннотирование и обогащение путей KEGG |
| ДМСО | Сигма | <чел./> MFCD00002089 | Используется для растворения кристаллов формазана |
| Этанол (для экстракции) | Сигма | MFCD00003568 | Растворитель для ультразвуковой экстракции |
| Этилацетат | Сигма | MFCD00009171 | Используется для биоактивного фракционирования |
| FITC-конъюгированное вторичное антитело | Абкам | АБ6785 | Используется при иммунофлюоресценции |
| Проточный цитометр | Термо Сайентиал | А29001 | Используется для обнаружения апоптоза и АФК |
| Флуоресцентный микроскоп | Корпорация Olympus | БХ53Ф | Для визуализации иммунофлуоресцентных слайдов |
| Сублимационная сушилка | Корпорация «Лабконко» | 7670520 | Для лиофилизации и сохранения образцов |
| Генные карты | Институт Вейцмана | https://www.genecards.org | База данных генов для актуальности заболеваний |
| Масс-спектрометрия HPLC-LTQ-Orbitrap | Термо Сайентиал | IQLAAEGAAVFACZMAIK | Идентификация соединений по МС |
| Платформа секвенирования Illumina NovaSeq | Illumina Inc. | 20012850 | Используется для секвенирования РНК |
| Набор для анализа цитотоксичности ЛДГ | Бейотим | С0016 | Для измерения высвобождения ЛДГ в качестве индикатора цитотоксичности |
| Считыватель микропланшетов | Термо Сайентиал | VL0000D0 | Для измерения абсорбции в анализах МТТ и ЛДГ |
| Набор для анализа жизнеспособности клеток MTT | Beyotime | С0009С | Используется для анализа МТТ для оценки жизнеспособности клеток |
| Машина для количественной ПЦР | Термо Сайентиал | 4485701 | Для анализа экспрессии генов |
| Программное обеспечение R | Фонд R | https://www.r-project.org | Статистические вычисления и построение путей |
| Комплект для обратной транскрипции (RT Kit) | Вазиме | МР201 | Для синтеза кДНК |
| Набор для подготовки библиотеки RNA-seq | Illumina Inc. | 20020594 | Подготовка библиотеки к секвенированию |
| SwissTargetПрогноз | Швейцарский институт | http://www.swisstargetprediction.ch | Инструмент прогнозирования составных целей |
| SYBR Зеленая смесь для количественной ПЦР | Вазиме | Вопрос 311-02 | Для количественной ПЦР |
| Реагент ТРИзол (экстракция РНК) | Сигма | Т3934 | Для полной экстракции РНК |
| Ультразвуковой очиститель | Брэнсон | M1800-CPXH | Для ультразвуковой экстракции |
| Аппарат вестерн-блоттинг | Термо Сайентиал | А56727 | Гель-электрофорез и перенос белка |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.