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编号:10241332
辐射诱发肿瘤细胞增殖抑制和凋亡的相关研究
http://www.100md.com 《中华放射肿瘤学杂志》 1999年第2期
     作者:赵卫红 陈家佩 从玉文 吴岚军

    单位:100034 北京医科大学妇儿保健中心

    关键词:G2;M期阻滞;细胞凋亡;辐射敏感性

    中华放射肿瘤学杂志990211 【摘要】 目的 探讨不同辐射敏感性的肿瘤细胞受照后G2/M期阻滞和凋亡发生的关系,为提高肿瘤放射治疗效果提供理论依据。方法 以人早幼粒白血病细胞株HL-60、人T淋巴细胞性白血病细胞系CEM和人红白血病细胞系K562细胞为对象,采用形态学观察、DNA琼脂糖凝胶电泳和流式细胞仪等方法检测细胞周期的改变和凋亡的发生。结果 辐射敏感的HL-60和CEM细胞受照后首先发生G2/M期阻滞,然后在阻滞退出过程中或之后发生凋亡;辐射耐受的K562细胞受照后只发生G2/M期阻滞,不发生凋亡;照射并加入咖啡因(CAF),抑制3种细胞的G2/M期阻滞,促进凋亡;照射并加入佛波酯(TPA),增加HL-60和CEM细胞的G2/M期阻滞,抑制凋亡。结论 辐射诱发肿瘤细胞的凋亡与G2/M期阻滞有关,用药物调控G2/M期阻滞可影响辐射所致的凋亡。
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    Tumor cell growth inhibition and apoptosis induced by radiation

    ZHAO Weihong,CHEN Jiapei,CONG Yuwen,et al.

    Institute of Radiation Medicine, Beijing 100850

    【Abstract】 Objective To investigate the relationship of radiation-induced G2/M arrest and apoptosis and provide some scientific evidence to enhance the radiotheraputic effects on tumor. Methods Morphology,DNA agrose gel electrophoresis and flow cytometry were used to detect cell cycle change and apoptosis in HL-60,CEM and K562 cell lines. Results G2/M arrest was first induced by radiation in radiosensitive cells(HL-60 and CEM).Then apoptosis was detected during or after quitting from G2/M arrest.Only G2/M arrest was detected in radioresistive cells(K562) after radiation. Caffeine which reduces radiation-induced G2/M arrest enhanced apoptosis.In contrast,12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate which sustains radiation-induced G2/M arrest inhibited apoptosis. Conclusions Radiation-induced apoptosis is correlated with G2/M arrest. Furthermore, it may be possible to modulate radiation-induced apoptosis with pharmacological agents that modify G2/M arrest.
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    【Key words】 G2/M arrest;Apoptosis;Radiosensitivity

    几乎所有肿瘤细胞受照后都会发生增殖抑制(包括G1期停滞,S期蓄积和G2/M期阻滞),但只有敏感细胞才发生凋亡。已经证明,肿瘤细胞对凋亡的敏感性和对辐射的敏感性是一致的[1]。为提高肿瘤的放射治疗效果,有必要对细胞受照后增殖抑制和凋亡的关系进行探讨。其中G1期停滞依赖于野生型p53基因的存在(见文献[2]),而临床上50%以上的肿瘤细胞有p53基因的缺失或突变,照射后不能发生G1期停滞;S期蓄积见于较高剂量的照射,在临床照射剂量下不常见;G2/M期阻滞发生于大多数肿瘤细胞中,且不论照射剂量的高低均可发生[3]。因此,本研究以辐射敏感的HL-60,CEM细胞和辐射耐受的K562细胞为对象,观察了辐射诱发敏感性不同细胞G2/M期阻滞和凋亡的发生及二者之间的关系。
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    1 材料与方法

    1.1 细胞株培养及实验分组:3种细胞均为本实验室冻存,悬浮培养于含10%胎牛血清的RPMI-1640液中,37℃、5%CO2的孵箱培养,2~3天换液1次,取指数生长期细胞用于实验。HL-60和CEM细胞的实验分6个组:对照组(Con)、单纯TPA作用组(TPA)、单纯CAF作用组(CAF)、单纯照射组(IR)、照射和TPA共同作用组(IR+TPA)、照射和CAF共同作用组(IR+CAF)。K562细胞的实验分四组:对照组(Con)、单纯CAF作用组(CAF)、单纯照射组(IR)、照射和CAF共同作用组(IR+CAF)。

    1.2 主要试剂:咖啡因(caffeine,CAF)购于上海康达化工技术服务部,佛波酯(12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate,TPA)购于SIGMA公司,用RPMI-1640配成储存液,照射后即刻加入培养液中,摩尔量浓度和质量浓度的终浓度分别为5mmol/L和50ng/mL。
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    1.3 照射条件:采用60Co-γ射线1次垂直照射, 距离4m,剂量分别为5,10,20Gy,剂量率451.2cGy/min。

    1.4 形态学观察:细胞苏木精染色方法见文献[4]。细胞皱缩、染色质凝聚、胞核固缩碎裂的计为凋亡细胞(图1),计数400个细胞中凋亡细胞所占比例即为凋亡比例(APO%)。

    1.Marker;

    2.5Gy(IR)后24小时;

    3.IR+TPA后24小时;

    4.IR+CAF后24小时

    图1 HL-60细胞凋亡 苏木精染色10000
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    图2 不同因素处理后HL-60细胞DNA的电泳结果

    1.5 DNA琼脂糖凝胶电泳:采用Ray等[5]的方法提取细胞DNA,进行电泳。观察是否有凋亡特异的梯状图谱(ladder)出现。

    1.6 流式细胞仪检测:肿瘤细胞被制备成单细胞悬液,磺化丙啶(PI)避光染色后上机检测。PI染色法见文献[4]。

    1.7 凋亡蛋白APO2.7的测定:凋亡蛋白APO2.7是细胞线粒体膜上的一种蛋白,在细胞凋亡的早期表达,参与凋亡的发生过程[6]。收集1.0×106 细胞,4℃ 1%多聚甲醛固定15分钟; 10μg/mL毛地黄苷4℃作用5分钟;加入异硫氰酸盐荧光素(fluorescein isothiocyanate,FITC)标记的鼠抗人APO2.7单抗, 4℃染色30分钟,以FITC标记的非特异鼠抗人IgG1作为阴性对照,流式细胞仪检测凋亡蛋白APO2.7的含量。
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    1.8 统计学处理:采用方差分析和t检验。

    2 结果

    2.1 HL-60细胞受照后G2/M期阻滞和凋亡的发生

    γ射线照射5Gy(IR)后12小时,HL-60细胞G2/M期阻滞达高峰,G2/M期比例为80.0%,24小时已开始下降,但仍占51.7%。细胞凋亡在照后24小时明显增加,形态学观察到凋亡细胞体积缩小,胞核固缩碎裂,染色质凝聚,并有凋亡小体形成,流式细胞仪检测到21.0%的APO2.7阳性细胞出现,DNA电泳出现凋亡特有的ladder。照射并加入TPA作用24小时,G2/M期阻滞程度增加,凋亡细胞比例明显下降(P<0.05),ladder消失;照射并加入CAF作用24小时,结果正相反,G2/M期阻滞被抑制,凋亡细胞比例显著增加(P<0.01),ladder更明显,见图2。单纯TPA和CAF组细胞凋亡比例较对照组稍高,但差异无显著意义(P>0.05)见表1。
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    表1 HL-60细胞G2/M期阻滞和凋亡发生百分比 (%) 组别

    G2/M

    APO

    APO2.7

    ladder

    Con

    18.5

    3.1±1.7

    2.0

    -

    TPA

    16.4
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    4.5±1.3

    7.2

    -

    CAF

    13.7

    4.5±3.0

    8.3

    -

    IR

    51.7

    21.1±2.9

    21.0

    +
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    IR+TPA

    68.2

    5.9±1.8*

    9.5

    -

    IR+CAF

    36.4

    32.0±5.5

    37.2

    ++

    注:*:IR+TPA与IR相比,P<0.01;:IR+CAF与IR相比,P<0.05;-:无ladder;+:有ladder;++:ladder明显
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    2.2 CEM受照后G2/M期阻滞和凋亡的发生

    γ射线照射10Gy后24小时,CEM细胞G2/M期阻滞达高峰,也观察到典型的凋亡细胞出现。照射并加入药物后,细胞G2/M期阻滞和凋亡的变化与HL-60细胞一致,见表2。 表2 CEM细胞G2/M期阻滞和凋亡发生的百分比(%) 组别

    G2/M

    APO

    APO2.7

    ladder

    Con

    12.7
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    1.4±0.4

    5.7

    -

    TPA

    10.5

    3.7±1.0

    7.0

    -

    CAF

    13.1

    2.8±1.0

    8.5

    -
, 百拇医药
    IR

    53.6

    11.4±3.2

    18.3

    +

    IR+TPA

    69.4

    6.6±2.5*

    8.0

    -

    IR+CAF

    10.5

    25.0±2.6*
, 百拇医药
    28.6

    ++

    注:*:IR+TPA和IR+CAF分别与IR组相比,P<0.05;- :无ladder;+:有ladder;++:ladder明显

    2.3 K562细胞受照后G2/M期阻滞和凋亡的发生

    γ射线照射20GyK562细胞6小时,细胞就出现G2/M期阻滞,并随时间延长阻滞增加,48小时G2/M期比例达到71.26%。形态学和DNA电泳一直未观察到凋亡的典型变化,仅流式细胞仪检测到12.5%的APO2.7表达。照射并加入CAF作用48小时,G2/M期比例明显低于单纯照射组,细胞出现凋亡的典型形态学改变,APO2.7检测到34.4%的阳性细胞,电泳出现凋亡特有的ladder,单纯CAF作用组细胞周期及凋亡与对照组相比差异不明显,见表3。
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    表3 K562细胞G2/M期阻滞和凋亡发生的百分比 (%) 组别

    G2/M

    APO

    APO2.7

    ladder

    Con

    6.4

    0.5±0.3

    2.7

    -

    CAF

    7.6
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    4.5±0.6

    6.5

    -

    IR

    71.3

    2.0±1.1

    12.5

    -

    IR+CAF

    12.5

    20.1±3.5*

    34.4

    +
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    注:*:IR+CAF与IR组相比,P<0.01;-:无ladder;+:有ladder

    3 讨论

    HL-60和CEM细胞受照后首先发生G2/M期阻滞,然后出现凋亡;K562细胞受照后一定时间内只出现明显的G2/M期阻滞,没有凋亡发生,这一方面表明HL-60和CEM是辐射敏感细胞,K562是辐射耐受细胞;另一方面也表明G2/M期阻滞是细胞对辐射的基本反应,照后很快就发生,而凋亡的发生还受其他因素的影响。辐射耐受的肿瘤细胞受照后只出现周期阻滞,而不发生凋亡,一段时间后DNA损伤修复,阻滞解除,继续存在细胞周期中。这可能是某些肿瘤放射治疗疗效差的原因之一。Palayoor等[7]报道TPA能增加辐射所致G2/M期阻滞,CAF则抑制G2/M期阻滞。本研究将受照细胞与TPA或CAF共同孵育,结果显示:TPA在增加G2/M期阻滞的同时,抑制细胞凋亡的发生;CAF在抑制G2/M期阻滞的同时,促进细胞凋亡的发生。CAF的促凋亡作用不仅在辐射敏感的细胞中有效,在辐射耐受的细胞中也有效果。它表明在这些细胞中,辐射诱发的凋亡和细胞从G2/M期阻滞的快速退出有关。可能和G1期停滞类似,G2/M期阻滞也是损伤DNA的修复期,DNA损伤在染色体分离前得不到修复,则退出增殖周期,进入凋亡途径。特别是在p53基因突变或缺失的情况下,不能启动和G1期相关的凋亡途径,此时,促进细胞从G2/M期进入凋亡程序就显得更重要。本研究结果提示肿瘤放射治疗的同时应用CAF类能抑制G2/M期阻滞的药物,有可能提高肿瘤的辐射敏感性。但临床应用还需要进一步的研究。
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    参考文献

    [1] Olive PL, Durand RE. Apoptosis: an indicator of radiosensitivity in vitro Int J Radiat Biol, 1997,71(6):695-707.

    [2] Wastson NC, Di YM, Orr MS,et al. Influence of ionizing radiation on proliferation , c-myc expression and the induction of apoptotic cell death in two breast tumour cell lines differing in p53 status. Int J Radiat Biol, 1997,72(5):547-559.

    [3] Rubin LL, Philpott KL, Brciks SF. Apoptosis: the cell cycle and cell death. Curr Biol,1993,3(5):391-394.
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    [4] 赵卫红.实验方法.见:赵卫红,寿好长,闫福岭,主编.细胞凋亡.郑州:河南医科大学出版社,1997.173-185.

    [5] Ray S,Ponnatpur V,Huang Y,et al. 1-β-D-arabinofuranosylcytosine, mitoxantrone and paclitaxel-induced apoptosis in HL-60 cells: improved method for detection of internucleosomal DNA fragmentation. Cancer Chemother Pharmacol, 1994,34(4):365-371.

    [6] Zhang C, Ao Z, Seth A, et al. A mitochondrial membrane protein defined by a novel monoclonal antibody is preferentially detected in apoptotic cells. J Immunol,1996,157(9):3980-3987.

    [7] Palayoor ST, Macklis RM, Bump EA, et al. Modulation of radiation-induced apoptosis and G2/M block in murine T-lymphoma cells. Radiat Res,1995,141(3):235-243.

    (收稿:1998-09-22 修回:1999-01-07), 百拇医药