口腔鳞状细胞癌(oral cavity squamous cell carcinoma,OSCC)作为口腔颌面部最常见的恶性肿瘤,因高发病率和高死亡率已成为公共卫生领域的重要挑战
[1]。近年来,随着对OSCC发病机制的深入研究,越来越多的天然药物在肿瘤学领域展现出巨大潜力。与合成药物比较,许多植物提取物(姜黄中的姜黄素
[2-3]和葡萄中的白藜芦醇
[4])具有多重优势,其对癌细胞表现出选择性细胞毒性,能显著降低对正常组织的损伤;植物提取物的天然来源特性赋予其更好的生物相容性和人体耐受性;同时,植物提取物的获取成本相对较低,可有效减轻患者用药经济负担
[5]。相关化合物通过靶向关键致癌信号通路,如磷酸肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)
[2]和核因子κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)
[3]信号通路影响癌细胞的增殖和凋亡以及血管生成和转移。
葡萄籽原花青素(grape seed proanthocyanidins,GSPE)作为一类药理活性很强的天然多酚类物质,是原花青素(proanthocyanidins, PACs)、没食子酸、儿茶素、表儿茶素和类黄酮等物质的主要来源,已被证实具有抗氧化、抗炎、抗菌和抗糖尿病等特性
[6],特别是在抗癌方面表现出显著的潜力,如食管鳞状细胞癌、肝细胞癌、乳腺癌和肺癌等
[7]。研究
[8]显示:使用GSPE可导致口腔角质形成细胞中
P53基因的过表达,从而影响细胞的凋亡。但GSPE抗OSCC的具体分子机制尚缺乏全面深入研究。
本研究采用网络药理学方法联合分子对接技术预测GSPE抗OSCC的核心作用靶点,同时通过体外细胞实验探讨GSPE对OSCC细胞增殖、迁移和侵袭的影响,验证GSPE抗OSCC的核心靶点和可能的作用机制,为OSCC的治疗提供新型药物和治疗靶点。
1 材料与方法
1.1 数据库检索、靶点筛选和核心靶点获取
从Pubchem数据库(
https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/) 中获得PACs的化学结构和Canonical Smiles号,导入Targetnet(
http://targetnet.scbdd.com/)、Swisstarget Prediction(
http://swisstargetprediction.ch/)和SuperPred(
https://prediction.charite.de/)数据库中,获取PACs的潜在靶向蛋白,利用Uniprot(
https://www.uniprot.org/)将下载的靶点蛋白名称转换为基因名称,合并并去除重复靶点;同时,从在线人类孟德尔遗传(Online Mendelian Inheritance in Man,OMIM)(
https://www.omim.org/)和GeneCards(
https://www.genecards.org/)疾病数据库检索OSCC相关靶点。使用Venny图在线平台对PACs与OSCC相关的疾病靶点取交集,并制作韦恩图,确定PACs抗OSCC的潜在作用靶点。将潜在靶点导入String 12.0数据库(
https://cn.string-db.org/),构建蛋白质-蛋白质互作(protein-protein interaction,PPI)网络,使用Cytoscape 3.8.0软件对网络进行可视化分析。利用CytoNCA插件计算PPI网络中每个节点的拓扑参数,进一步筛选出核心靶点。
1.2 基因本体论(Gene Ontology,GO)功能富集分析和京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)信号通路富集分析
使用David 6.8数据库(
https://david.ncifcrf.gov/)进行GO功能富集分析和KEGG信号通路富集分析,以识别PACs抗OSCC的潜在靶点。GO功能富集分析包含生物过程(biological process,BP)、分 子 功 能(molecular function,MF)和细胞组成(cellular component,CC)。KEGG信号通路富集分析用于识别与相关靶点有关的信号通路。富集分析设置了显著性阈值
P<0.05。富集分析结果导入至微生信在线可视化平台(
www.bioinformatics.com.cn)进行整理和可视化展示,通过气泡图和柱状图直观呈现富集程度较高的GO功能和KEGG信号通路。以富集基因数目、
P值及富集倍数为主要评价指标,明确靶点所富集的生物学功能、细胞定位和关键信号通路。
1.3 分子对接技术分析验证PACs与核心靶点的结合能力
分别从PubChem数据库和PDB数据库(
http://www.rcsb.org/)下载PACs的分子结构及目标蛋白的3D晶体结构。并使用Getbox Plugin插件获取对接口袋参数,将处理后的蛋白质和PACs的文件导入 AutoDock Tools 1.5.6 软件, 转换为PDBQT 格 式。通 过 AutoDock Vina 1.1.2 和PyMOL 2.6.0软件进行分子对接及可视化对接结果。以结合自由能为主要评价指标,观察PACs与核心靶点的结合能力。
1.4 细胞、主要试剂和仪器
人口腔上皮角质细胞(human oral keratinocyte,HOK)由北京北纳联创生物科技有限公司提供,OSCC细胞株(人舌鳞状细胞癌SCC-15细胞和人舌鳞状细胞癌CAL-27细胞)购自美国典型培养物保藏中心(American Type Culture Collection,ATCC)细胞库。GSPE(含PACs>95%)购自天津尖峰生物公司,细胞计数试剂盒8(cell counting kit-8,CCK-8)购自武汉伊莱瑞特生物科技有限公司,Matrigel基质胶和Transwell小室购自美国Corning公司,逆转录试剂盒和实时荧光定量PCR(real-time fluorescence quantitative PCR,RT-qPCR)试剂盒购自美国US EVERBRIGHT Inc公司,引物由生工生物工程(上海)股份有限公司设计并合成,细胞培养所用的MEM基础培养基、DMEM高糖培养基、磷酸盐缓冲液(phosphate buffered saline,PBS)(1×)和无血清无蛋白非程序细胞冻存液均购自武汉普诺赛生命科技有限公司,胎牛血清(fetal bovine serum,FBS)购自浙江天杭生物科技股份有限公司,1%青-链霉素双抗、结晶紫和胰蛋白酶均购自北京索莱宝科技有限公司。细胞培养箱(型号:BC-J160)购自上海博迅医疗生物仪器股份有限公司,超净工作台(型号:AC2-4S1)购自新加坡ESCO 科 技 有 限 公 司,-80 ℃ 冰 箱(型 号:FormaTM 991) 和 多 功 能 酶 标 仪(型 号:MultiskanTM FC)购自美国Thermo公司,PCR热循环仪(型号:Mastercycler nexus GSX1)购自德国 Eppendorf 公 司, RT-qPCR 仪 (型 号:LightCycler®96)购自瑞士Roche公司。
1.5 细胞培养、GSPE最佳浓度选择和细胞分组
将FBS和MEM/DMEM高糖培养基按1∶9比例混合,向该培养基中加入1%青-链霉素,配制成完全培养基。在37 ℃、5%CO2的培养箱环境下培养HOK、SCC-15和CAL-27细胞。待SCC-15和CAL-27细胞生长密度达到80%~90%时,将其分别以每孔5×103个细胞的密度接种至96孔细胞培养板中。24 h后以0、2.5、5、10、20、40、80、160和320 mg·L-1 GSPE分别处理24和48 h,采用CCK-8法避光下测定波长450 nm处吸光度(A)值,并计算细胞存活率,细胞存活率=(实验组A值-空白组A值)/(对照组A值-空白组A值)×100%。利用GraphPad Prism 9.5软件绘制剂量-效应曲线,计算24和48 h的半数抑制浓度(half maximal inhibitory concentration,IC50),并根据其结果将实验分为对照组(完全培养基)和5、10及20 mg·L-1 GSPE组。
1.6 CCK-8法检测各组细胞存活率
将处于对数生长期的SCC-15和CAL-27细胞接种于96孔细胞培养板中,培养24 h。按照分组继续培养12、24、48和72 h后,在避光条件下将CCK-8试剂与DMEM高糖培养基按1∶10的比例加入每个孔中,并在避光条件下孵育1 h。于波长450 nm处测量A值,并计算细胞存活率。细胞存活率=(实验孔A值-空白孔A值)/(对照孔A值-空白孔A值)×100%。
1.7 细胞划痕实验检测各组细胞划痕愈合率
将处于对数期的SCC-15和CAL-27细胞接种于6孔细胞培养板中,24 h后用200 µL枪头的尖端垂直划线,去除旧培养基,PBS缓冲液清洗2次,加入按分组的GSPE与无血清DMEM配置培养基,在显微镜下观察0、12和24 h的愈合情况并拍摄照片。使用Image J软件分析和处理各组细胞划痕区域,并计算各组细胞划痕愈合率。划痕愈合率=(0 h划痕面积-处理时间划痕面积)/0 h划痕面积×100%。
1.8 Transwell小室实验检测各组细胞侵袭细胞数
收集按分组处理24 h的SCC-15和CAL-27细胞接种于24孔Transwell小室,向下室加入含20% FBS的培养基,在培养箱中继续培养48 h。甲醛固定小室30 min,室温下自然干燥10 min,0.1%结晶紫染色15 min,彻底冲洗后,观察并计数随机视野下染色的跨膜细胞数,取多个视野均值进行统计分析,以跨膜细胞数代表各组细胞侵袭细胞数。
1.9 RT-qPCR法检测各组细胞中核心靶点相关基因mRNA表达水平
利用试剂盒分别提取HOK细胞和分组处理24 h的SCC-15及CAL-27细胞总RNA,逆转录和PCR扩增在每个组中均进行了3次重复。cDNA模板、引物和荧光试剂混合后,使用RT-qPCR试剂盒进行定量分析。以甘油醛-3-磷酸脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,
GAPDH)作为内参基因,采用2
-△△Ct法计算目的基因表达水平。热休克蛋白90α家族A类成员1(heat shock protein 90 alpha family class A member 1,
HSP90AA1)、B细胞淋巴瘤2(B-cell lymphoma-2,
Bcl-
2)、前 列 腺 素 内 过 氧 化 物 合 酶 2(prostaglandin-endoperoxide synthase 2,
PTGS2)和核因子κB1(nuclear factor kappa B1,
NFKB1)引物序列见
表1。
1.10 统计学分析
采用GraphPad Prism 9.5软件进行统计学分析和图形绘制。各组细胞存活率、划痕愈合率、侵袭细胞数和核心靶点相关基因mRNA表达水平均符合正态分布,以x±s表示,多组间样本均数比较采用单因素方差分析,组间样本均数两两比较采用LSD-t检验,2组间样本均数比较采用两独立样本t检验。以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结 果
2.1 数据库检索、靶点筛选和核心靶点获取
共筛选出PACs的174个潜在作用靶点;获得OSCC相关靶点1 948个,取交集后得到PACs抗OSCC的潜在作用靶点50个。见
图1。PPI网络中含50个节点和308条边。见
图2。确定PACs抗OSCC的潜在核心靶点有雌激素受体1(estrogen receptor 1,
ESR1)、
HSP90AA1、
Bcl-
2、
PTGS2和
NFKB1。见
图3。
2.2 核心靶点的GO功能富集分析和KEGG信号通路富集分析
GO功能富集分布注释中,与BP相关的条目共有124个(
P<0.05),与CC相关的条目共有35个(
P<0.05),与MF相关的条目共有70个(
P<0.05)。GO功能富集分析检测结果显示:BP主要涉及一氧化氮生物合成的正向调节、异源生物代谢和细胞对雌激素刺激的反应;CC主要涉及受体胞质、细胞核和胞质基质;MF主要涉及蛋白质结合、三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)结合和蛋白质同源二聚化活性等。见
图4。KEGG信号通路富集分析选取
P<0.05的前20条通路绘制柱状图,其中涉及的信号通路包括癌症相关通路和癌症中微小RNA(microRNA,miRNA)等。见
图5。
2.3 PACs与核心靶点的分子对接分析
选取PACs与核心靶点(
HSP90AA1、
Bcl-
2、
PTGS2、
NFKB1和
ESR1)进行分子对接,结果显示:5个靶基因编码的蛋白与PACs分子之间的结合能分别为-8.1、-8.1、-10.6、-8.1和-7.6 kcal·mol
-1,表明PACs与核心靶点
HSP90AA1、Bcl-
2、PTGS2及
NFKB1之间有较强的结合活性。见
图6。
2.4 各组细胞存活率
SCC-15细胞作用24和48 h的IC
50分别为10.240及8.944 mg·L
-1,CAL-27细胞对应IC
50分别为11.410和8.759 mg·L
-1。基于上述IC
50结果,选取5、10和20 mg·L
-1作为后续实验浓度。CCK-8法检测结果显示:与对照组比较,5、10和20 mg·L
-1 GSPE组细胞存活率均明显降低(
P<0.05或
P<0.01)。见
表2。
2.5 各组细胞划痕愈合率
各组SCC-15和CAL-27细胞处理0、12和24 h后划痕愈合情况见
图7。结果显示:与对照组比较,5、10和20 mg·L
-1 GSPE组细胞划痕愈合率均明显降低(
P<0.05或
P<0.01)。见
表3。
2.6 各组细胞的侵袭细胞数
分组处理48 h的SCC-15和CAL-27细胞固定染色后其侵袭情况见
图8。Transwell小室实验检测结果显示:与对照组比较,5、10和20 mg·L
-1 GSPE组侵袭细胞数明显降低(
P<0.01)。见
表4。
2.7 各组细胞中核心靶点mRNA表达水平
与HOK细 胞 比 较,SCC-15 和 CAL-27 细 胞 中
HSP90AA1、Bcl-
2、PTGS2和
NFKB1 mRNA表达水平均明显升高(
P<0.05或
P<0.01)。见
图9。与对照组比较,5、10和20 mg·L
-1 GSPE组SCC-15细胞中
HSP90AA1、Bcl-
2和
PTGS2 mRNA表达水平均明显降低(
P<0.01),10和20 mg·L
-1 GSPE组SCC-15细胞中
NFKB1 mRNA表达水平明显降低(
P<0.01),5、10和20 mg·L
-1 GSPE组CAL-27细胞中
HSP90AA1、
Bcl-
2和
NFKB1 mRNA表达水平明显降低(
P<0.01),10和20 mg·L
-1GSPE组CAL-27细胞中
PTGS2 mRNA表达水平明显降低(
P<0.01)。见
图10。
3 讨 论
口腔癌是全球第六大风险癌症,其致死率是常见癌症(前列腺癌和乳腺癌)的3~4倍。而OSCC作为口腔癌的主要病理类型,占比为90%~95%,其高侵袭性和转移倾向导致患者5年生存率长期为50%~60%
[1]。OSCC的常规治疗包括手术后放射治疗或联合顺铂的放射治疗和化学治疗,其晚期患者的5年生存率仍不理想,且治疗方式常常伴随着严重的功能障碍和美容缺陷,影响患者的言语及吞咽等重要生理功能
[9]。传统化学治疗药物产生的全身毒性、免疫抑制和肿瘤细胞的耐药性复发,已成为临床治疗的重大挑战
[10]。因此,寻找新型、高效和低毒的治疗策略成为OSCC研究领域的重要方向。
研究
[5]显示:天然植物来源的化合物可以针对癌细胞表现出细胞毒性作用,并且因其较小的不良反应和潜在的药用价值,在肿瘤防治领域展现出巨大潜力。GSPE作为一类天然多酚类化合物,因其抗氧化特性和潜在的抗癌价值备受关注,其结构中富含的酚羟基使其具有强大的自由基清除能力
[7]。研究
[11]显示:GSPE在正常细胞中缺乏毒性,但对不同类型的癌细胞均具有较强的抗癌活性,其抗癌机制涉及多靶点调控。在食管癌ECA109细胞中,GSPE可调节Bcl-2家族蛋白的平衡,上调促凋亡蛋白Bcl-2相关X蛋白(Bcl-2 associated X-protein,Bax),下调抗凋亡蛋白Bcl-2,导致线粒体膜电位改变,释放细胞色素C,激活Caspase-3,最终诱导癌细胞凋亡
[12]。葡萄籽提取物还能以时间-剂量依赖性方式抑制肝癌HepG2细胞的存活,诱导凋亡和G
2/M期细胞周期停滞,并增加活性氧的产生
[13]。研究
[14]发现:GSPE还能抑制AKT/NF-κB信号通路并发挥抗肿瘤作用。
本研究初步探讨GSPE抗OSCC细胞的潜在分子机制和生物学行为的影响。通过网络药理学分析发现GSPE的50个抗OSCC的治疗靶点,构建PPI网络和分子对接筛选后,最终确定了
HSP90AA1、
Bcl-
2、
PTGS2和
NFKB1为核心靶点,并富集至癌症相关通路和癌症中的miRNA关键信号通路。本研究结果显示:GSPE可有效抑制OSCC细胞的增殖,并通过有效阻断细胞迁移和侵袭发挥抗转移作用,且上述抑制作用具有剂量依赖性。同时,RT-qPCR实验检测结果显示:与HOK细胞比较,
HSP90AA1、Bcl-
2、PTGS2和
NFKB1 mRNA在OSCC细胞中高表达,且GSPE可显著降低OSCC细胞中的上述核心靶点的表达。PI3K/Akt信号传导通路作为抗肿瘤治疗的重要靶点,与肿瘤细胞的增殖、生长、迁移、侵袭和血管生成等生物学行为存在密切联系
[15]。已有研究
[16]证实:
HSP90AA1表达水平的下调可激活PI3K/AKT信号通路,通过减轻炎症反应并抑制细胞凋亡途径,发挥细胞保护效应。Bcl-2作为重要的抗凋亡蛋白分子,其表达下调对鳞状细胞癌具有显著的抑癌作用,且该过程可能与PI3K/AKT信号通路的活性降低有关
[17]。在OSCC中,炎症因子白细胞介素1β(interleukin-1β,IL-1β)和肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)在缺氧微环境下可通过激活NF-κB通路,诱导
PTGS2持续过表达
[18]。
PTGS2的异常高表达不仅可以通过介导Bcl-2的抗凋亡作用影响上皮细胞存活
[19],还与血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)信号通路的激活存在密切联系,为肿瘤细胞的迁移和侵袭提供了有利的微环境条件
[20]。
NFKB1的过表达可上调抗凋亡基因
Bcl-
2的转录水平,从而抑制肿瘤细胞的凋亡进程,且其高表达状态多见于中晚期(Ⅲ或Ⅳ期)和低分化肿瘤
[21];而低分化OSCC的炎症微环境更显著,可进一步激活
NFKB1,形成“炎症-癌变”的恶性循环
[22]。
综上所述,本研究通过网络药理学、分子对接技术和体外细胞实验研究表明GSPE可能通过HSP90AA1、Bcl-2、PTGS2和NFKB1等靶点,进一步调控癌症相关通路和癌症中的miRNA等发挥抗OSCC作用,且GSPE可以抑制OSCC细胞的增殖、迁移和侵袭,有望成为OSCC治疗的辅助药物或新型治疗药物,具有广阔的应用前景。本研究重点关注了GSPE中的主要成分的作用,未来需要更精细地分离鉴定发挥主要药效的关键活性单体及其组合。
新疆生产建设兵团科技局指导性科技计划项目(2024ZD067)
石河子大学第一附属医院科技计划项目(ZP2024003)
石河子大学第一附属医院科技计划项目(ZP2024005)