胃癌作为全球高发恶性肿瘤,其治疗困境仍是临床与基础研究的核心难题:尽管手术、放疗、化疗构成主流治疗体系,但早期患者术后复发率高,中晚期患者放化疗易出现毒性反应与耐药性,导致整体治疗效果受限,五年生存率仅约35%
[1-3]。因此,开发基于天然活性成分的高效低毒辅助治疗药物,已成为突破胃癌治疗瓶颈的关键方向。安五脂素(ANW)作为五味子来源的木脂素类化合物,具备天然小分子药物多靶点、低毒性的优势,已被证实对肝癌、肺癌等恶性肿瘤具有增殖抑制与凋亡诱导作用
[4-6],然而其在胃癌中的生物学功能及分子机制尚未见报道,这一研究空白限制了其在胃癌治疗领域的潜在应用。与此同时,上皮间质转化(EMT)是胃癌侵袭转移的核心调控过程,而 JAK/STAT3 信号通路不仅参与胃癌细胞恶性增殖,更与EMT转化直接相关
[7, 8],成为胃癌治疗的重要潜在靶点,但目前尚未发现安五脂素与该通路的关联研究。
基于上述研究现状与空白,本研究聚焦以下核心问题:明确安五脂素对胃癌细胞增殖、迁移及侵袭能力的影响;揭示安五脂素是否通过调控EMT过程发挥作用;阐明JAK1/STAT3信号通路在安五脂素调控胃癌细胞生物学行为中的分子机制。研究结果有望为胃癌靶向治疗药物开发提供新的实验依据与候选分子。
1 材料和方法
1.1 实验主要试剂与耗材
安五脂素(ANW;上海源叶生物科技有限公司);激动剂RO8191(MCE);Lipofectamine 2000转染试剂、anti-Cleaved Caspase-3(Invitrogen);CCK-8试剂(北京索莱宝生物科技有限公司);胎牛血清(FBS,Gibco);RPMI 1640培养基(Thermo Fisher Scientific);Annexin V-FITC/PI细胞凋亡检测试剂盒、TUNEL细胞凋亡检测试剂盒(Servicebio);BeyoClick™ EdU-555细胞增殖检测试剂盒、细胞周期与细胞凋亡检测试剂盒、BCA蛋白试剂盒(碧云天);anti-Cyclin D1、anti-CDK2、anti-P53、anti-MMP9、anti-MMP2、anti-Bcl2、anti-E-cadherin和anti-JAK1(Proteintech);anti-Bax、anti-Snail+Slug、anti-p-JAK1、anti-p-STAT3、anti-STAT3、anti-β‑actin、anti-Ki-67抗体(Abcam);anti-Vimentin(CST);辣根酶标记山羊抗兔/鼠IgG(H+L)(ZSGB-BIO);Transwell小室和基质胶(Corning);酶标山羊抗兔IgG聚合物和DAB(ZSGB-BIO);cDNA合成试剂盒PCR反应试剂盒(TaKaRa);Vimentin和CDH1特异性引物(上海生工公司)。
1.2 实验动物及细胞
BALB/c裸鼠(体质量20~25 g,6~8周龄,江苏集萃药康生物科技有限公司);人胃癌细胞系HGC-27、SGC-7901和AGS(国家生物医学实验细胞资源库)。
1.3 细胞培养与干预
1.3.1 ANW干预
HGC-27、SGC-7901和AGS使用含10%胎牛血清的RPMI 1640培养基于37 ℃、5% CO2条件下培养。采用不同浓度ANW处理细胞24 h:HGC-27细胞设0、1、2、4、8、16、32、64 μmol/L;SGC-7901细胞设0、5、10、20、40、80、160、320 μmol/L,以观察其对细胞活性的作用。
1.3.2 RO8191回救实验
胃癌HGC-27、SGC-7901细胞经10 μmol/L JAK1/STAT3激动剂RO8191
[9]预处理30 min后,分别加入32、40 μmol/L ANW继续培养24 h;收集细胞用于蛋白提取及Western blotting检测,同时采用结晶紫染色观测细胞迁移和侵袭,探究通路活化能否逆转ANW的体外抗肿瘤效应。
1.3.3 JAK1 siRNA沉默干预实验
采用Lipofectamine 2000转染试剂将JAK1特异性siRNA(5'-CCAUCACU GUUGAUGACAA-3')
[10]转染至HGC-27和SGC-7901胃癌细胞中,分别采用32 μmol/L和40 μmol/L的ANW干预细胞并持续培养24 h。后续收集细胞提取总蛋白和结晶紫染色观测细胞恶性表型变化,探究JAK1沉默对ANW体外抗肿瘤作用的调控效应。
1.4 裸鼠背部成瘤与分组
BALB/c裸鼠饲养于屏障环境,温度22±2 ℃,相对湿度(50±10)%,12 h明暗循环,自由摄食灭菌标准饲料及无菌饮用水。取对数生长期AGS细胞,以每只100 μL(含1×10⁷细胞)接种于裸鼠背部皮下。接种1周后,将12只小鼠随机分为4组(n=3):对照组(0 μmol/L ANW)及ANW处理组(40、80、160 μmol/L)。同时设置阴性对照、ANW(80 μmol/L)单药、RO8191(30 mg/kg)单药及ANW+RO8191联合回救组,通过通路激活回救验证体内调控机制。采用瘤内多点注射给药,注射50 μL/次,10 μL/点,1次/2 d,连续干预2周后处死动物,剥离瘤组织并称重、测量体积。每例瘤组织均分两份,一份经4%多聚甲醛固定后石蜡包埋,用于组织学分析;另一份于-80℃冻存,用于蛋白提取。本研究通过蚌埠医科大学动物伦理委员会审查(伦理批号:伦动科批字[2021]第269号)。
1.5 细胞增殖与毒性检测
CCK-8实验:将1×103/孔的胃癌细胞接种于96孔板,ANW处理结束后每孔加CCK-8试剂10 μL,孵育2 h后测定吸光度A450 nm。
EdU实验:6孔板细胞数达(5×104~1×105)/孔后,依据BeyoClick™ EdU-555细胞增殖检测试剂盒步骤对细胞进行EdU标记及固定、洗涤和通透;荧光显微镜镜下拍照检测细胞增殖率。
克隆形成实验:将600/孔的胃癌细胞接种于6孔板中,1次/2 d更换含有ANW和10%FBS的培养基,培养2周后,经4%多聚甲醛固定和0.2%结晶紫染色,采集图片并计算细胞克隆数。
1.6 细胞凋亡与周期检测
依据Annexin V-FITC/PI细胞凋亡检测试剂盒和细胞周期与细胞凋亡检测试剂盒说明书的操作步骤,依次对细胞进行消化、清洗、染色和流式细胞仪检测。
1.7 免疫印迹实验
细胞和移植瘤经含有蛋白酶和磷酸化蛋白酶抑制剂的RIPA裂解液提取总蛋白。蛋白经定量、变性、SDS-PAGE电泳和转移至PVDF膜上,膜再经封闭、一抗[anti-Cyclin D1(1∶5000)、anti-CDK2(1∶2000)、anti-P53(1∶5000)、anti-MMP9(1∶1000)、anti-MMP2(1∶1000)、anti-Cleaved Caspase-3 (1∶1000)、anti-Bax(1∶1000)、anti-Bcl2(1∶1000)、anti-Vimentin(1∶1000)、anti-E-cadherin(1∶1000)、anti-Snail+Slug(1∶1000)、anti-p-JAK1(1∶1000)、anti-JAK1(1∶1000)、anti-p-STAT3(1∶2000)、anti-STAT3(1∶500)和 anti- β -actin(1∶1000)]和二抗[辣根酶标记山羊抗兔/鼠IgG(H+L),1∶3000]孵育。最后,经ECL发光液显色和多功能凝胶成像系统采集图片。
1.8 细胞迁移与侵袭实验
在Transwell小室(孔径8.0 μm)中加入200 μL含有4×104胃癌细胞的无血清培养基,同时在下室加入1 mL含10% FBS的培养基。经过12 h培养后,分别加入不同浓度的ANW进行处理,继续培养12 h。随后取出Transwell小室,用4%多聚甲醛固定,并进行结晶紫染色,最后采集图像。细胞侵袭实验需在Transwell小室上层铺一层基质胶,其余步骤同迁移实验。
1.9 免疫组织化学实验
从移植瘤组织蜡块中制备4 μm厚度的切片,依次完成烤片、脱蜡、抗原修复、内源性过氧化物酶阻断以及封闭处理后,将切片分别与anti-Ki-67抗体(1∶500稀释)和酶标山羊抗兔IgG聚合物进行孵育,随后采用DAB进行显色,最后采集图像并统计Ki-67阳性细胞的比例。
1.10 TUNEL染色
取移植瘤组织蜡块切片,先进行脱蜡处理,随后按照TUNEL细胞凋亡检测试剂盒说明书的要求,依次完成破膜、Proteinase K处理、TdT孵育缓冲液染色以及DAPI染核等步骤,最后在荧光显微镜下获取图像。
1.11 RT-qPCR实验
将细胞和移植瘤经含Trizol裂解液提取总RNA。NanoDrop™ One/OneC微量紫外-可见光分光光度计测定RNA浓度,随后按照cDNA合成试剂盒和PCR反应试剂盒说明书的要求,依次将提取的RNA逆转录为cDNA,加入Vimentin和CDH1特异性引物,进行PCR反应,最后使用2
-ΔΔCt法计算目的基因的相对表达量(
表1)。
1.12 统计学分析
本研究采用SPSS 27.0统计软件进行数据分析。计量资料以均数±标准差表示,两组间计量资料的差异比较采用独立样本 t 检验。所有实验操作均独立重复≥3 次以确保结果可靠性,P<0.05 为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 ANW抑制胃癌细胞增殖
ANW以浓度依赖性抑制胃癌细胞(HGC-27和SGC-7901)的增殖(
P<0.05,
图1A、B)。细胞克隆实验结果显示,在HGC-27细胞中,32、64 μmol/L ANW处理组的克隆数低于对照组(
P<0.05,
图1C、D);而在SGC-7901细胞中,40、80 μmol/L ANW处理组的克隆数也减少(
P<0.05,
图1E、H)。EdU实验结果进一步表明,相较于对照组,HGC-27细胞在32、64 μmol/L ANW处理下EdU阳性细胞率降低(
P<0.05,
图1F、I);同样,SGC-7901细胞在40、80 μmol/L ANW处理下EdU阳性细胞率也下降(
P<0.05,
图1G、J)。
2.2 ANW抑制裸鼠移植瘤的生长
AGS细胞裸鼠背部移植瘤实验结果显示,与对照组相比,40、80、160 μmol/L的ANW处理组的移植瘤质量和体积都明显减少(
P<0.05,
图2A~C)。免疫组化结果显示,ANW处理组瘤组织中Ki-67阳性细胞比例降低(
P<0.05,
图2D)。
2.3 ANW诱导胃癌细胞G1期细胞周期停滞
流式细胞术结果显示,HGC-27细胞的16、32、64 μmol/L组和SGC-7901细胞的20、40、80 μmol/L 组经ANW处理后,G1期细胞比例升高(
P<0.05,
图3A~D);Western blotting结果显示,体外细胞实验和体内动物实验发现ANW处理可下调细胞周期相关蛋白(Cyclin D1、CDK2、P53)表达(
P<0.05,
图3E~J)。
2.4 ANW促进胃癌细胞凋亡
流式细胞术结果显示,ANW处理可增加胃癌细胞凋亡率(
P<0.05,
图4A~D)。Western blotting结果显示,ANW能够上调胃癌细胞中Cleaved Caspase-3和Bax的表达,并下调Bcl2的表达水平(
P<0.05,
图5A~D);并且,这一调控趋势在裸鼠移植瘤中得到一致的验证(
P<0.05,
图5E、F)。TUNEL染色进一步证实,ANW处理组移植瘤中凋亡细胞数量增多(
P<0.05,
图5G~H)。
2.5 ANW抑制胃癌细胞迁移和侵袭
Transwell迁移和侵袭实验显示,在HGC-27细胞中,32、64 μmol/L的ANW能降低细胞的迁移和侵袭数量(
P<0.05,
图6A、C);在SGC-7901细胞中,40、80 μmol/L的ANW同样表现出抑制效果(
P<0.05,
图6B、E)。划痕实验进一步表明,64 μmol/L的ANW干预后HGC-27细胞的愈合能力,以及80 μmol/L的ANW干预后SGC-7901细胞的愈合能力,均低于对照组(
P<0.05,
图6D、F、G、H)。Western blotting结果显示,迁移与侵袭相关蛋白(MMP2和MMP9)在两种细胞的体外实验中均被ANW抑制(
P<0.05,HGC-27:
图7A;SGC-7901:
图7B),该抑制趋势在体内实验中也得到一致验证(
P<0.05,
图7C)。
2.6 激活JAK1/STAT3通路可逆转ANW介导的胃癌细胞恶性表型及EMT抑制
Transwell迁移与侵袭实验,以及相关蛋白检测结果表明,RO8191部分逆转了ANW对胃癌细胞迁移、侵袭能力的抑制效果(
P<0.05,
图8)。Western blotting结果还表明RO8191抑制了ANW的促胃癌细胞的凋亡作用,以及恢复EMT相关蛋白的异常表达(
P<0.05,
图9)。
2.7 ANW抑制胃癌细胞的上皮间质转化(EMT)
Western blotting结果表明,ANW处理可上调上皮标志物E-cadherin的表达,并下调间质标志物Vimentin及转录因子Snail/Slug的表达(
P<0.05,
图10A~C);RT-qPCR结果进一步显示,ANW处理在转录水平上调上皮标志基因CDH1的mRNA表达,同时下调间质标志基因Vimentin的mRNA表达(
P<0.05,
图10D)。
2.8 ANW可抑制JAK1/STAT3通路的激活
Western blotting分析显示,ANW处理可抑制JAK1和STAT3的磷酸化水平(
P<0.05,
图11A、B);相对于对照组,在ANW干预后移植瘤中的p-JAK1和p-STAT3的水平降低(
P<0.05,
图11C)。
2.9 沉默JAK1通路可模拟并协同增强ANW对胃癌细胞恶性表型及EMT的抑制作用
Transwell迁移与侵袭实验及Western blotting实验显示,在HGC-27和SGC-7901胃癌细胞中,特异性沉默JAK1可显著抑制细胞迁移、侵袭及EMT进程,能够模拟ANW的抗肿瘤生物学效应;且沉默JAK1/STAT3通路与ANW联合干预可进一步强化该抑制效果,二者发挥协同调控作用(
P<0.05,
图12,
图13)。
2.10 裸鼠体内验证JAK1/STAT3通路介导ANW抑制胃癌生长与EMT的机制
裸鼠移植瘤体内干预实验结果显示,ANW可抑制胃癌移植瘤的体积与体质量增长,发挥明显的体内抑瘤作用;而采用RO8191激活JAK1/STAT3通路后,可有效逆转ANW对裸鼠移植瘤生长的抑制效应。与此同时,体内蛋白检测结果证实,激活JAK1/STAT3通路同样可拮抗ANW对胃癌组织EMT进程的抑制作用。上述体内实验结果差异均具有统计学意义(
P<0.05,
图14A~D)。
3 讨论
胃癌是全球范围内发病率和死亡率均较高的恶性肿瘤之一。目前临床治疗方案效果常因耐药性和不良反应而受限。因此,开发高效低毒的新型药物具有重要临床意义。本研究以ANW为研究对象,从体内外实验系统评价了其对胃癌细胞恶性生物学行为的抑制作用,并探讨了其通过JAK1/STAT3信号通路调控上皮-间质转化(EMT)的潜在机制。
进展期胃癌易发生转移,是患者预后不良的主要原因
[11]。尽管新的治疗药物、化疗联合免疫治疗等应用增加,但在实际治疗过程中仍不可避免地出现各种不良反应,甚至危及患者生命
[12]。因此,亟需开发更为安全有效的药物以满足胃癌治疗需求。受到青蒿素抗疟疾治疗的巨大鼓舞下,天然植物提取物因其具有广泛的抗炎、抗癌和细胞保护等作用受到学术届广泛关注,更重要的是,这些天然植物提取物还具有分子量小且安全无毒副作用等药理特性
[13]。在本研究中,从肉豆蔻中分离得到的生物活性木脂素ANW以浓度依赖性的方式显著降低了SGC-7901和HGC-27的细胞活力,这与报道关于ANW抑制非小细胞肺癌生长等研究中发挥抗癌作用的研究结果一致
[4],说明肉豆蔻提取物有用于治疗恶性肿瘤的潜力。通过研究已证实ANW可体内抑制胃癌的发展,其处理可显著抑制胃癌细胞增殖使其停留在细胞G0/G1期,以及裸鼠移植瘤生长,与黄芩Geogi提取物汉黄芩素在胃癌方面的研究相似
[14]。同时,本研究通过流式细胞术、免疫印迹以及Tunel染色从体内、体外两方面证实ANW具有诱导胃癌细胞凋亡的作用,该结果与红毛七提取物(CRME)、木犀草素和丁香酚等中药提取物对癌细胞凋亡的调控功能类似
[15-17]。以上结果均表明,ANW可对胃癌细胞产生细胞毒性,具有抗癌治疗的潜在应用价值。癌细胞转移作为肿瘤化疗耐药性与患者死亡率攀升的核心诱因,在胃癌这一高侵袭性恶性肿瘤中表现尤为突出——其早期转移倾向与高复发风险共同构成了预后不良的主要驱动因素
[18]。有研究证实肉豆蔻另外一种提取物脱氢二异丁香酚(DEH)能抑制结直肠癌细胞的迁移和侵袭
[19]。本研究证实,ANW处理胃癌细胞24 h能显著抑制胃癌细胞的迁移和侵袭。基质金属蛋白酶(MMP)在血管生成、肿瘤侵袭和转移等多种生理和病理过程中发挥重要作用
[20]。本研究通过体内外实验证实,ANW降低了胃癌细胞和裸鼠移植瘤中MMP2和MMP9的表达,提示ANW能通过抑制胃癌细胞的转移发挥抗胃癌作用,这与Gomisin A降低MMP2和MMP9的表达活性降低结直肠癌细胞的转移能力作用类似
[21]。EMT在以上过程中起关键作用,它增强肿瘤细胞的迁移与侵袭能力,促进远处播散
[7, 22]。因此,靶向EMT过程已成为胃癌治疗的重要策略之一
[23, 24]。同时,结果显示胃癌细胞和裸鼠移植瘤中ANW作用后E-cadherin表达上升,Vimentin和Snail/Slug表达显著下降,这与清胰化积方(QYHJ)抑制胰腺癌EMT和解毒三根汤(JSD)对结直肠癌EMT的作用相似
[25, 26]。
大量研究证据指出,在肿瘤转移这一多通路协同参与的复杂过程中,JAK1/STAT3信号通路的异常活化广泛存在,并深度参与调控癌细胞的侵袭、转移能力,增殖活性以及EMT
[27-29]。JAK1/STAT3信号通路经典激活剂RO8191可逆转其抑制状态
[9],同时干扰素小RNA可选择性沉默JAK1,抑制JAK1/STAT3信号通路的激活
[10]。已知ANW和同类天然提取物木脂素的抗癌机制与本研究结论吻合,均指向该通路的关键调控作用
[30, 31]。这确证了以JAK1/STAT3为靶点的天然单体疗法是抗癌药物开发的有效途径。
本研究表明ANW抑制胃癌细胞(SGC-7901、HGC-27)增殖、迁移、侵袭、EMT并诱导凋亡,其抗肿瘤效应与抑制JAK1/STAT3通路相关,JAK1/STAT3激活剂RO8191逆转ANW对胃癌细胞恶性行为的抑制,JAK1沉默可模拟并协同ANW的抗肿瘤效应。裸鼠移植瘤模型中,ANW抑制EMT,通路激活则削弱其体内抑瘤作用;且该通路参与调控癌细胞周期、抑制血管生成及EMT
[29, 30, 32, 33]。研究存在以下局限性:尽管阐明了ANW通过抑制胃癌细胞增殖、迁移、侵袭及诱导凋亡发挥抗肿瘤效应,但ANW的多效性生物学特性提示可能存在其他未被充分评估的作用途径;同时,研究聚焦于JAK1/STAT3信号轴,尚不能排除ANW通过其他信号通路调控细胞行为的可能性。尽管如此,核心结论明确:ANW显著抑制SGC-7901和HGC-27的细胞周期进程、促进细胞凋亡、抑制EMT及MMPs介导的侵袭迁移能力,展现出作为胃癌治疗候选药物的潜力。其抗肿瘤分子机制至少部分源于对JAK1/STAT3信号通路的抑制。
安徽省高校优秀青年基金项目(2022AH030138)
安徽省高等学校自然科研究项目(KJ2020A0563)