基金项目:国家自然科学基金重大研究计划(91643109,91743112); 国家自然科学基金重点项目(81730088); 江苏省自然科学基金(BK20151418)
通信作者:101011116@seu.edu.cn
(School of Public Health,Southeast University,Nanjing 210009,China)
PM2.5; bronchial epithelial cells; epithelial-mesenchymal transition
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201807033
为探讨PM2.5诱导人支气管上皮(HBE)细胞发生的慢性损害作用,用0,100,500 μg/mL的PM2.5分别处理HBE细胞多代后,经细胞计数试剂盒(CCK-8)法检测发现暴露组的细胞活性较对照组显著增强.进而选择细胞活性差异最大的一组观察PM2.5长期暴露对HBE细胞形态、功能和上皮-间质转化标志物分子水平的影响,结果显示:暴露组细胞发生形态变化,周期较对照组表现为G1期阻滞,但凋亡率未出现明显改变; 与对照组相比,暴露组细胞的克隆数目和迁移能力存在浓度依赖性的增加; 暴露组细胞中上皮标志物的表达水平下调,而间质标志物的表达水平上调.此外,将长期暴露的HBE细胞(P35)经裸鼠尾静脉注射入体内21 d后,高剂量暴露注射组的小鼠肺组织出现肺泡炎症,但未观察到肿瘤细胞定植.采用动物全身动态暴露系统对小鼠进行21 d的PM2.5吸入染毒后,应用微计算机断层扫描(Micro-CT)和苏木精-伊红(HE)组织染色技术观察到小鼠肺部出现PM2.5颗粒沉积和炎症改变,且部分肺组织中存在纤维增生与黏液栓阻塞.综上可知,PM2.5暴露可诱导正常HBE细胞发生功能改变,使其具备一定的上皮-间质转化特征.
To investigate the chronic damage induced by PM2.5 in human bronchial epithelial(HBE)cells,HBE cells were treated with PM2.5 of 0,100 and 500 μg/mL respectively for several passages,followed by the CCK-8 assay.The results showed that the cell activity of the exposure group was significantly higher than that of the control group.The group with the greatest difference in cell activity was selected to observe the effects of long-term exposure to PM2.5 on cellular morphology,function and molecular levels of epithelial-mesenchymal transition markers in HBE cells.The results showed that the morphological changes were observed in the exposed cells.The cell cycle was blocked by G1 phase compared with the control group,but the apoptosis rate did not change significantly.Compared with the control group,the number of cell clones and migration ability of the exposed group increased in a concentration-dependent manner,the expression of epithelial markers was down-regulated,and the expression of interstitial markers was up-regulated in the exposed cells.In addition,long-term exposed HBE cells(P35)were injected through the tail vein into the body of nude mice.After 21 d tail vein injection,alveolar inflammation emerged in the lung of high-dosage injected mice, but no signs of tumor formation were found in the lung of nude mice.After the mice were subjected to dynamic inhalation of PM2.5 for 21 d with the systemic dynamic exposure system,particulate matter deposition,inflammatory infiltration and fibrosis in the lungs were observed using Micro-CT and tissue hematoxylin-eosin staining technologies.In conclusion,PM2.5 exposure can induce functional changes in normal HBE cells and make them possess certain epithelial-mesenchymal transition characteristics.
近年来我国雾霾频发,呈现出区域广、强度高、持续时间长等特点.大气污染,特别是大气中细颗粒物(PM2.5)的污染,已成为全社会高度关注的环境与健康问题之一.诸多研究已经报道了PM2.5暴露与哮喘、支气管炎、慢性阻塞性肺病(COPD)和肺癌恶化之间的关系[1-4],且基于人群的研究为PM2.5与肺癌死亡率增加之间的关联提供了有力的证据[5-6].在过去的几十年中,为了阐明颗粒物,尤其是烟草燃烧产生的颗粒物诱导肺癌发生的生物学机制并改善肺癌的预后,医学工作者们已经开展了大量研究[7-9].然而,关于大气颗粒物促进肿瘤发生的直接证据仍然不足.
长时间暴露于大气颗粒物可导致多种组织中的基因突变[10-11]并增加肺癌风险[12].在动物实验中观察到颗粒物暴露后,小鼠发生可遗传的突变而导致发病率和死亡率增加[13].人支气管上皮(HBE)细胞是接触空气颗粒物的第一道屏障,当其受到损伤时可引起肺气道重塑、细胞遗传物质突变甚至细胞恶性转化[14-17].由于PM2.5的粒径小,不易被阻挡,进入肺泡后可迅速被吸收,不经过肝脏解毒而直接进入血液循环并分布到全身,其携带的诸多金属元素及多环芳烃类化合物均被证实有诱发肿瘤的风险[18-19].近期研究发现外源性化合物可通过调控组蛋白修饰诱导细胞发生上皮-间质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT),参与COPD、肺癌等多种肺部疾病发生、发展的过程[20-21].
本研究旨在通过体内及体外实验,利用PM2.5暴露刺激HBE细胞及小鼠呼吸系统,观察细胞表型变化和小鼠肺部病理学改变,探究PM2.5在诱导呼吸系统肿瘤起始过程中所起的作用.
HBE细胞由中国科学院细胞库提供; PM2.5标准参考物质(SRM 1648a)购于美国国家标准和技术研究所(NIST,USA); SPF级健康成年雄性C57BL/6小鼠与雌性裸鼠(品系:BALB/cJNju-Foxn1nu/Nju)均购于南京生物医药研究院.
DMEM(Dulbecco's modified eagle medium)高糖培养基、0.25%(质量分数)胰酶、双抗(青霉素/链霉素)购于美国Hyclone公司; 胎牛血清(FBS)购于浙江天杭生物科技股份有限公司; 环丙沙星与二甲基亚砜(DMSO)均购于美国Sigma公司.磷酸盐缓冲液(PBS)购于武汉博士德生物工程有限公司; 异硫氰酸荧光素/碘化丙啶(Annexin V-FITC/PI)细胞凋亡检测试剂盒与细胞周期检测试剂盒均购于江苏凯基生物技术股份有限公司; 结晶紫染色液购于上海碧云天生物技术有限公司; ReverTra AceqPCR 反转录试剂盒与SYBR Green Realtime PCR Master Mix-plus试剂盒均购于日本TOYOBO公司; BCA(bicinchoninic acid)蛋白定量试剂盒、化学发光底物购于美国Thermo公司; 细胞计数试剂盒(CCK-8)购于南京建成生物工程公司.TRIzol 总RNA提取试剂购于美国Invitrogen公司; EMT相关抗体试剂盒购于美国Cell Signaling Technology公司; 二氨基联苯胺(DAB)免疫组织化学(IHC)试剂盒购于北京中杉金桥生物有限公司.
A2型生物安全柜(美国Thermo Fisher公司,型号1384); 倒置相差显微镜(日本Olympus公司,型号IX51); CO2培养箱(美国ESCO有限公司,型号CCL-170B-8); 台式高速大容量冷冻离心机(德国Eppendorf公司,型号5804R); FACSCantoTMⅡ流式细胞仪(美国BD公司); 生物图像导航仪(日本Olympus 公司,型号FSX 100); 实时荧光定量 PCR(qRT-PCR)仪(美国Applied Biosystems公司); 酶标仪(美国Bio Tek公司); 粉尘气溶胶发生器(北京慧荣和科技有限公司,型号HRH-DAG768); 活体微计算机断层扫描(Micro-CT)仪(海斯菲德信息科技有限公司,型号Hiscan-M2000).
HBE细胞为贴壁细胞,采用添加10%(体积分数)FBS、1%(体积分数)双抗溶液和0.1%(体积分数)环丙沙星溶液的DMEM高糖培养基,于37 ℃、5%(体积分数,下同)CO2培养箱中进行培养.
待细胞密度达到80%后弃去原培养基,每孔加入新配制的含有不同浓度PM2.5的培养液,使得培养基中PM2.5终质量浓度分别为0,100和500 μg/mL,每组设立3个生物平行样.细胞暴露培养24 h后,撤去PM2.5染毒溶液,用PBS润洗3次后传代,即完成一次暴露,记为P0; 然后以不含PM2.5溶液的培养液常规培养2代,依次记为P1、P2; 当第3次传代(P3)的细胞密度达到80%时,按照上述步骤进行第2次PM2.5染毒.按照每3代一个染毒周期反复进行长期暴露.
按照CCK-8说明书操作:收集对数期细胞,用含10%FBS的DMEM高糖培养基调整细胞悬液浓度,以5 000/孔的密度将细胞接种于96孔板中,每组6个平行孔.
培养36 h后弃去原培养基,每孔加入含10%(体积分数)CCK-8溶液的无血清DMEM高糖培养基100 μL,并设置3个空白对照孔,于37 ℃、5%CO2培养箱中孵育2 h.孵育结束后,用酶标仪测定各孔在450 nm下的吸光度,计算细胞增殖能力.
相对细胞增殖活性=(实验组平均吸光度-相应背景平均吸光度)/(对照组平均吸光度-相应背景平均吸光度).
6孔板中培养细胞,待细胞密度达到90%时采用不含乙二胺四乙酸(EDTA)的胰酶消化细胞,并收集单细胞悬液至离心管,用PBS洗涤2次,收集1×105~5×105个细胞.加入500 μL细胞凋亡检测试剂盒中的Binding Buffer至离心管重悬细胞,然后每管细胞先后加入5 μL Annexin V-FITC染色液和5 μL PI染色液进行标记,室温避光反应15 min,用流式细胞仪分析细胞凋亡情况.
用无EDTA的胰酶消化收集细胞,1 200 r/min离心5 min,用PBS洗涤2次,取1×106个细胞,加入500 μL冰浴的75%(体积分数)乙醇,4 ℃过夜固定,染色前用PBS洗去固定液.加入100 μL RNase A 37 ℃水浴30 min,再加入400 μL PI液混匀,4 ℃避光反应30 min后采用流式细胞仪检测.
取对数期生长的细胞,胰酶消化后接种于直径6 cm 的培养皿中,每皿接种300个细胞.用含10% FBS的DMEM高糖培养基于37 ℃、5%CO2培养箱中连续培养14 d.弃去培养液,用PBS轻柔润洗1次,加入95%(体积分数)乙醇固定10 min,再加入0.1%(体积分数)结晶紫溶液染色15 min.清水缓慢洗去染料,室温干燥后拍照并进行细胞计数.
收集暴露结束后正常培养2代的细胞,用PBS润洗3次,用无血清DMEM高糖培养基重悬细胞,以1.0×104/孔的密度接种入Transwell上室,再用无血清DMEM高糖培养基补齐至250 μL,下室加入550 μL含10% FBS的DMEM高糖培养基.待细胞穿膜24 h后,取出Transwell小室,用PBS润洗1次,再用细胞固定染色液浸泡,置于摇床慢速染色15 min.用PBS润洗小室后室温干燥,待膜风干后将小室置于生物图像导航仪200倍放大倍数下观察.
使用TRIzol试剂冰上提取长期暴露后HBE细胞的总RNA,按照ReverTra Ace qPCR反转录试剂盒的操作说明反转录得cDNA,使cDNA终质量浓度为100 ng/μL、体积为100 μL.按照SYBR Green Realtime PCR Master Mix-Plus试剂盒的操作说明,以1 ng cDNA为模板,用10 μL体系进行qRT-PCR检测.所用引物及序列如表1所示.
收集暴露结束后对数生长期的HBE细胞提取总蛋白,并按照BCA蛋白定量试剂盒的操作说明,使用酶标仪在562 nm处检测每孔的吸光度,绘制标准曲线,并计算蛋白样品浓度.使用RIPA(rapid immuno precipitation assay)裂解液调整蛋白浓度,进行蛋白表达水平检测.配制十二烷基磺酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)凝胶,每条泳道加入蛋白样品总量为30 μg,凝胶两端预留两条泳道加入5 μL蛋白分子质量标准,用1×SDS上样缓冲液补齐体积; 60 V恒压电泳30 min,待样品通过积层胶进入分离胶后,调至90 V恒压直至条带迁移到凝胶底部边缘,最后取出凝胶于70 V恒压下转聚偏氟乙烯(PVDF)膜4 h; 转膜结束后,按照预测蛋白分子质量将PVDF膜进行裁剪,放入5%(质量分数)脱脂奶粉(封闭液)中,室温摇床孵育1 h; 随后进行抗体特异性结合,抗体信息如表2所示; 最后进行显影曝光.
收集对照组和PM2.5长期暴露的HBE细胞,与无血清DMEM高糖培养基混合,以2.0×106/mL的剂量经尾静脉注射入裸鼠体内,每只裸鼠注射0.5 mL.21 d 后麻醉裸鼠,取肺组织浸泡于4%(质量分数)多聚甲醛(paraformaldehyde,PFA)溶液中固定,用于后续组织病理学分析.
组织病理学分析采用苏木精-伊红(hematoxylin-eosin,HE)染色法进行观察.在组织固定24 h后梯度脱水、石蜡包埋,进行5 μm连续切片; 梯度脱蜡后将切片置于苏木精染色液中2 min,双蒸水轻轻冲洗5 s; 再将切片置于伊红染色液中20 s,0.1%(质量分数)盐酸-乙醇增色液中浸泡2次,反蓝,中性树胶盖玻片封片,室温自然风干; 使用生物图像导航仪对组织病理切片进行观察拍摄.
采用北京慧荣和公司生产的“动物全身动态暴露系统”建立PM2.5动态吸入暴露染毒模型.将干燥的PM2.5颗粒添加到发生模块的样品储集层中,将小鼠置于全身暴露舱中进行PM2.5吸入染毒,通过调节粉尘气溶胶发生器上旋转刷的转速来控制粉尘气溶胶的浓度.12只雄性C57BL/6小鼠被随机分为对照组和暴露组,暴露组接受粉尘气溶胶质量浓度为0.5 mg/m3,每天8 h(09:00—17:00)进行为期21 d的吸入暴露,对照组采用与暴露组相同流量的经高效微粒空气过滤系统过滤的室内空气替代粉尘气溶胶.小鼠光照周期设定为12 h光照/12 h黑暗,室内温度22 ℃.
C57BL/6小鼠21 d动态吸入暴露结束后,采用Micro-CT仪对小鼠肺部进行X射线断层扫描.异氟烷气体吸入使小鼠麻醉后,放入仪器扫描床,在80 kVp、100 μA和50 ms/帧的条件下采集肺部图像.像场宽度为68 mm,尺寸为50 μm×50 μm×50 μm,拍摄时间约为15 min,共获得400~450幅断层扫描图片.
将附着于载玻片上的石蜡切片梯度脱蜡,随后放入1×水合柠檬酸钠缓冲液中,微波炉中火加热约10 min至煮沸,切片转至Tris-HCl缓冲液(TBS)中浸泡5 min; 每张切片滴加100 μL封闭液,室温避光封闭30 min; 将切片放入湿盒中,每张切片滴加100 μL一抗,置于4 ℃层析柜孵育24 h; 结束孵育后,于TBS中浸泡清洗2次,每次3 min; 吸水纸擦干后,滴加二抗试剂盒中的反应增强液80 μL覆盖全部组织,室温避光孵育1 h; 滤纸擦干多余液体,滴加酶标山羊抗兔IgG聚合物80 μL,使用DAB显色剂进行显色; 之后放入苏木精染料中浸泡40 s,0.1%(质量分数)盐酸-乙醇溶液中浸泡2 s×3次,蒸馏水冲洗5 min,反蓝; 最后进行切片梯度脱水并用树脂封片.
利用SPSS 20.0软件进行数据统计分析,结果用平均数±标准差表示.多组之间比较采用单因素方差分析(one-way ANOVA),各组与对照组比较采用最小显著性差异(least-significant difference,LSD)法,p<0.05表示差异显著.
不同质量浓度的PM2.5(0,100,500 μg/mL)长期作用于HBE细胞8,17,26和35代(P8,P17,P26和P35)后,与对照组比较,暴露组在贴壁生长36 h后表现出更高的细胞增殖活性,且呈时间依赖性(图 1).该结果表明经PM2.5长期诱导后,HBE细胞增殖活性增加.在P35时细胞增殖活性差异最大,故后续功能学实验均采用该组细胞进行.
图1 PM2.5长期暴露对HBE细胞增殖能力的影响
Fig.1 Effect of long-term PM2.5 exposure on proliferation ability of HBE cells
对HBE细胞进行长期暴露后,在倒置相差显微镜下观察到细胞形态发生改变,如图2所示:与对照组相比,暴露组中出现了较多的梭形细胞,而对照组中的细胞多聚集生长且较少出现梭形细胞.
图2 PM2.5长期暴露对HBE细胞形态的影响
Fig.2 Effect of PM2.5 long-term exposure on morphology of HBE cells
经PM2.5长期暴露后,各组间HBE细胞的早、晚期凋亡率均无显著差异(图3(a)~(d)); 但细胞周期改变明显,500 μg/mL PM2.5暴露后的细胞发生G1期阻滞,与对照组相比,暴露组的S期细胞百分数显著减少(p< 0.01),且存在剂量效应(图3(e)~(h)).
图3 PM2.5长期暴露对细胞凋亡(a~d)和细胞周期(e~h)的影响
Fig.3 Effect of PM2.5 long-term exposure on cell apoptosis(a-d)and cell cycle(e-h)
平板细胞克隆形成实验显示,暴露组的细胞克隆形成数与对照组相比显著增加(p<0.01),可见PM2.5长期暴露可以诱导细胞降低群体依赖性,且表现为浓度依赖性降低(图4).该结果验证了细胞经PM2.5长期暴露后增殖活力随暴露剂量的增加而增加.
采用Transwell方法对不同浓度PM2.5长期暴露后HBE细胞的迁移能力进行比较.如图5所示,细胞穿过小室孔径的数量随PM2.5暴露剂量的增加而增加,表明PM2.5长期暴露对HBE细胞的迁移能力有促进作用.
图4 PM2.5长期暴露对HBE细胞克隆形成的影响
Fig.4 Effect of PM2.5 long-term exposure of colony formation of HBE cells
图5 PM2.5长期暴露对HBE细胞迁移的影响
Fig.5 Effect of PM2.5 long-term exposure on migration of HBE cells
为评估EMT是否参与了由PM2.5长期暴露诱导的HBE细胞恶性转化,使用qRT-PCR检测经典的上皮和间质标志物的表达.如图6(a)~(d)所示:在PM2.5长期暴露的HBE细胞中,间质标志物N-cadherin和Vimentin的mRNA表达水平显著上调(p<0.01); 而与对照组相比,暴露于PM2.5的HBE细胞中E-cadherin和ZO-1的mRNA表达水平显著下调(p<0.01).如图6(e)所示,在蛋白水平的检
图6 PM2.5长期暴露对HBE细胞中EMT标志物表达的影响
Fig.6 Effect of PM2.5 long-term exposure on expression of EMT markers in HBE cells
测中,上述4种标志物表现出与mRNA水平一致的表达变化.
通过尾静脉将PM2.5长期暴露的HBE细胞注入裸鼠体内,21 d后取裸鼠肺组织进行观察.结果显示,与对照组相比,PM2.5暴露组细胞注射的裸鼠肺组织未出现肉眼可见的改变(图7(a)~(c)).
为进一步研究肺组织的病理学改变,制作HE染色的组织切片进行分析.结果显示:在对照组和100 μg/mL PM2.5暴露组HBE细胞注射的裸鼠肺组织中并未发生明显的病理学改变(图7(d)和(e)); 但500 μg/mL PM2.5暴露组HBE细胞经尾静脉注射后,造成裸鼠肺部出现肺泡炎症,表现为肺泡腔被炎性渗出物侵占(图7(f)).
PM2.5动态吸入染毒21 d后,采用Micro-CT方法对小鼠肺部进行诊断,结果显示对照组小鼠未发现肺部的病理学改变,而暴露组小鼠肺部出现小范围的浸润影,提示有炎症浸润发生(图8).
组织病理学观察结果如图9所示:与对照组(图9(a)和(d))相比,暴露组小鼠的肺泡出现融合扩大的病理学改变(图9(b)),提示有肺气肿发生; 暴露组中出现肺部炎症的小鼠,其肺组织发生肺泡炎症(图9(c)),并伴有支气管周围纤维增生(图9(e)); 小气道内可见颗粒物及炎性细胞渗出物形成的黏液栓(图9(f)),提示有肺部通气障碍存在.
结合HBE细胞中EMT标志物分子水平的检测结果,选取变化较为明显的Vimentin和E-cadherin作为检测对象,对动态吸入暴露模型小鼠的肺组织进行IHC染色,结果显示Vimentin蛋白在动态吸入暴露模型小鼠的肺组织中表达上调,而E-cadherin的表达下调(图 10).
图7 PM2.5长期暴露对HBE细胞体内成瘤能力的影响
Fig.7 Effect of PM2.5 long-term exposure on capacity of tumor formation of HBE cells in vivo
PM2.5是当前我国排名第4位的健康危险因素,在我国约20%的肺癌发病率与PM2.5污染有关[22].有实验数据表明,暴露于致癌物质后在转化和肿瘤形成期间可诱导恶性转化发生[23-25],这表明环境诱变剂的暴露在促进细胞恶性转化及诱导肿瘤发生的起始过程中具有重要作用.当前对于混合物的毒理学评估较困难[26],尽管针对生物个体的实验研究中环境致癌物的特征及其遗传毒性机制已经确立,但对于复杂混合物中致癌物的毒理学信息了解有限.低浓度生物活性成分可能具有累加、拮抗或协同相互作用,从而使混合物的毒理学和基因毒性评价有一定复杂性.
本研究中细胞活性和克隆形成实验的结果证实PM2.5对细胞增殖能力具有促进作用,且不依赖群体生长能力的提高,符合肿瘤起始阶段的细胞表型.同时结合细胞周期分析结果,作为细胞DNA合成的主
图9 PM2.5暴露模型小鼠肺组织的病理学改变
Fig.9 Pathological alterations in lungs of model mice exposed to PM2.5
图 10 PM2.5暴露模型小鼠肺组织EMT标志物的IHC染色
Fig.10 IHC staining of lung tissue EMT markers in model mice exposed to PM2.5
要阶段,S期的缩短表明DNA复制及组蛋白合成加速.类似地,Tellez等[27]的研究证实,将HBE细胞暴露于烟草燃烧颗粒物中的苯并(a)芘-二氧化物和甲基亚硝基脲,可诱导细胞恶性转化发生,进而参与癌症起始并促进癌前期细胞的克隆扩增.
本研究中裸鼠模型的肺组织中出现了炎症反应,这一现象可能是因为机体对于异体种植的细胞启动了应激机制.由于检测手段有限,在本研究中未发现PM2.5长期暴露的细胞可以靶向定植于裸鼠肺部.为期21 d的动态吸入暴露模型证实了PM2.5的吸入暴露可以诱发肺部炎症反应,同时也观察到暴露引起的支气管纤维增生和分泌物阻塞,这可能是由PM2.5引发的损伤修复机制或局部炎症反应所导致.在本研究中,由于体内和体外实验结果存在差异,未在动物模型上发现PM2.5导致恶性转化的直接证据,可能需要更长的暴露时间或者采用更敏感的监测方法.
有关颗粒物诱导恶性转换的诸多研究发现炎性细胞因子的释放可造成炎性损伤[28],炎性细胞与细胞因子之间产生相互促进,从而形成了恶性循环[29],导致肺损伤、血管功能紊乱及肺癌的发生.此外,EMT的作用及机制开始逐渐被重视,上皮细胞通过特定程序转化为具有间质表型细胞的过程中,获得具有肿瘤干细胞特性的潜力,被认为与多种癌症的起始及发展有关[30].在本研究中,EMT相关因子的表达水平改变表明PM2.5长期暴露导致的细胞恶性转化可能经历了EMT的过程.
综上所述,本研究从细胞和动物模型两个水平探讨了PM2.5暴露诱导的功能及病理学改变,证实了PM2.5长期暴露可促进细胞增殖能力提高,对于该过程所涉及的信号转导和分子调控网络还需进一步研究.