Propofol Regulates MPP+-induced Mitochondrial Oxidative Stress and Apoptosis in SH-SY5Y Cells
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摘要:
目的 探讨不同浓度的丙泊酚（propofol，PPF）对1-甲基-4-苯基吡啶离子（1-Methyl-4-phenylpyridinium，MPP+）诱导的帕金森（Parkinson's disease, PD）模型细胞氧化应激和凋亡的作用。 方法 利用1 mM MPP+诱导人神经母细胞瘤细胞SH-SY5Y构建PD细胞模型。PPF处理组分别用10、20、40、80 μM PPF在MPP+诱导前刺激SH-SY5Y细胞4 h。细胞计数法（cell counting kit-8，CCK-8）评估细胞增殖活力。2′，7′-二氯二氢荧光素二乙酸酯（H2DCF-DA）荧光探针用于检测细胞中活性氧（reactive oxygen species，ROS）。试剂盒分别检测丙二醛（malondialdehyde，MDA）和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NADPH）氧化酶的水平。Western blot用于检测线粒体和细胞质中细胞色素c的蛋白表达以及细胞中Bcl-2、Bax和Cleaved caspase-3蛋白表达。流式细胞术分析细胞凋亡率。 结果 MPP+诱导明显抑制SH-SY5Y细胞的增殖（P < 0.001），促进细胞中ROS（P < 0.001）、MDA（P < 0.001）、NADPH氧化酶（P < 0.01）、细胞质中细胞色素c的表达（P < 0.01）并诱导细胞凋亡（P < 0.001）以及促凋亡蛋白Bax和Cleaved caspase-3的表达（P < 0.01），减少线粒体中细胞色素c的蛋白表达（P < 0.01）和抗凋亡蛋白Bcl-2的表达（P < 0.01）。PPF预处理可缓解MPP+诱导引起的SH-SY5Y细胞增殖抑制以及氧化应激和凋亡的促进作用（P < 0.001），且40 μM和80 μM对细胞的作用更为显著。 结论 PPF预处理可缓解MMP+诱导的SH-SY5Y细胞氧化应激，减少细胞凋亡。 -
关键词:
- 帕金森 /
- 氧化应激 /
- 1-甲基-4-苯基吡啶离子 /
- 丙泊酚
Abstract:Objective To investigate the effects of different concentrations of PPF on oxidative stress and apoptosis of PD model cells induced by MPP+. Methods The human neuroblastoma cell SH-SY5Y was induced by 1 mM MPP+ to establish PD cell model. In PPF treatment group, SH-SY5Y cells were stimulated with 10, 20, 40 and 80 μM PPF for 4 h before MPP+ induction. Cell counting kit-8（CCK-8） was performed to evaluate cell proliferation activity. H2DCF-DA fluorescent probe was used to detect ROS in cells. The levels of MDA and NADPH oxidase were analyzed by the kit. Western blot examined the protein expression of cytochrome c in mitochondria and cytoplasm, as well as the relative expression of Bcl-2, Bax and cleaved caspase-3 in SH-SY5Y cells. Apoptosis rate was analyzed by flow cytometry. Results MPP+ significantly inhibited the proliferation of SH-SY5Y cells（P < 0.001）, promoted the level of ROS（P < 0.001）, MDA（P < 0.001）, NADPH oxidase（P < 0.01）, cytochrome c in cytoplasm（P < 0.01） and induced apoptosis（P < 0.001） and the relative expression of pro-apoptosis protein Bax and cleaved caspase-3（P < 0.01）, reduced cytochrome c protein in mitochondria（P < 0.01） and the relative expression of anti-apoptosis protein（P < 0.01）. PPF pretreatment alleviated the proliferation inhibition, oxidative stress and apoptosis promotion of SH-SY5Y cells induced by MPP+（P < 0.001）, and the effects of 40 μM and 80 μM on cells were more significant. Conclusion PPF pretreatment can alleviate the oxidative stress of SH-SY5Y cells induced by MMP+ and reduce apoptosis rate. -
Key words:
- Parkinson's disease /
- Oxidative stress /
- MPP+ /
- Propofol
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帕金森（Parkinson's disease，PD）是α-突触核蛋白聚集介导的黑质致密性多巴胺能神经元丢失的神经退行性疾病，可导致运动和非运动症状，运动症状的特征是运动障碍，包括运动迟缓、静止性震颤和肌肉强直，非运动症状包括认知障碍、抑郁、焦虑、嗅觉和味觉减退以及睡眠障碍等[1]。流行病学研究显示，60岁以上人群的PD发病率增加，80岁以上人群的发病率达3%，且男性的PD发病率高于女性[2]。随着人口老龄化的加重，全球范围内PD的发病率也在逐渐升高。然而，目前尚没有治愈PD的有效方法。
氧化应激诱导的稳态失衡是多种神经退行性疾病的常见特征。一般认为氧化应激主要由活性氧（reactive oxygen species，ROS）、活性氮等强氧化性自由基引起。ROS主要在线粒体中产生，ROS增多可能会使细胞的氧化还原平衡转向氧化状态，促进细胞的氧化应激水平，使线粒体中的大分子受到氧化损伤，损伤大分子的积聚进一步导致细胞的基本功能受损并激活细胞死亡途径，最终引起细胞死亡。临床研究表明，PD患者氧化应激水平升高[3]。因此，抑制氧化应激水平可能是PD治疗的关键途径。
丙泊酚（propofol，PPF）是临床常用的全身静脉麻醉剂，具有抗氧化活性。研究发现，PPF刺激可减少PD大鼠大脑中的氧化应激，具有氧化损伤的神经保护作用[4]。本研究通过MPP+诱导PD细胞模型，探讨不同浓度的PPF预处理对PD模型细胞氧化应激的作用。
1. 材料与方法
1.1 主要试剂
细胞完全培养基购自南京科佰生物科技有限公司。1 mM MPP+购自美国Sigma-Aldrich。PPF购自美国Merck。CCK-8试剂盒、H2DCF-DA荧光探购自美国MedChemExpress。MDA和NADPH氧化酶测定试剂盒购自南京建成。细胞质蛋白提取试剂盒购自上海泽叶生物，线粒体蛋白提取试剂盒购自北京百奥莱博。兔抗细胞色素c、GAPDH、Bcl-2、Bax抗体、山羊抗兔二抗购自北京博奥森。兔抗COX4和Cleaved caspase-3抗体购自Abcam。Annexin V-FITC/PI试剂盒购自美仑生物。
1.2 细胞及细胞培养
人神经母细胞瘤细胞SH-SY5Y购自南京科佰。细胞培养于细胞完全培养基（含1%非必需氨基酸、1 mM丙酮酸钠以及10%胎牛血清），放入5% CO2细胞培养箱培养，每2 d更换一次新鲜培养液。
1.3 细胞处理
状态良好的SH-SY5Y细胞，经消化后接种至新的培养板，将1mM MPP+加至培养液中，轻轻摇匀。将培养板放入细胞培养箱，培养24 h以诱导PD细胞模型。
MPP+ + 10 μM PPF组、MPP+ + 20 μM PPF组、MPP+ + 40 μM PPF组、MPP+ + 80 μM PPF组SH-SY5Y细胞在经MPP+处理前，分别培养于含10、20、40、80 μM PPF的培养基内4 h。弃去培养液，再将细胞转移至含1 mM MPP+的培养基中培养24 h。NC组细胞常规培养，不进行MPP+和PPF处理。
1.4 CCK-8检测细胞增殖
处理完成的各组细胞接种至96孔板，置于细胞培养箱过夜培养，向每孔中加入含10 μL的CCK-8溶液100 μL，37 ℃孵育2 h，酶标仪测定吸光度值（450 nm）。
1.5 ROS水平
H2DCF-DA荧光探针用于检测SH-SY5Y细胞中ROS的水平。经MPP+或PPF处理后的细胞，用PBS漂洗2次，加入含20 μM H2DCF-DA的PBS与细胞37 ℃避光孵育30 min。洗涤后，利用流式细胞仪检测荧光强度。
1.6 MDA和NADPH氧化酶活性检测
MDA和NADPH氧化酶检测试剂盒用于检测SH-SY5Y细胞中MDA和NADPH氧化酶水平。
MDA：根据试剂盒说明书，配置MDA的三号试剂并用50%冰醋酸按2∶1稀释。各组中的细胞经超速离心使其破裂，使用前摇匀。分别向离心管中加入等量的待测样品和试剂一、1.5 mL试剂二、1.5 mL试剂三，混匀后95 ℃水浴40 min，冷却后4000 r/min，离心10 min，取上清测定吸光度值。
NADPH氧化酶：试剂盒中的试剂一和三用于裂解细胞，离心后取上清。再用10000 r/min，离心10 min，下层沉淀中加入试剂二和试剂三，利用超声波处理90 s（每超声3s间隔10 s）。取40 μL样本中分别试剂四（700 μL）、五 （100 μL）、六（160 μL），混匀。分光光度计检测600 nm处20 s（A1）和80 s（A2）的吸光度值。ΔA = A1-A2。
1.7 Western blot检测细胞色素c以及Bcl-2、Bax和Cleaved caspase-3蛋白表达
收集对照组、MPP+以及MPP+和PPF处理后的SH-SY5Y细胞，分别利用细胞质蛋白和线粒体蛋白提取试剂盒提取细胞质和线粒体中的蛋白。采用聚丙烯酰氨凝胶电泳法将蛋白样品按分子量分离并转移至PVDF中。转移后的蛋白与5%脱脂牛奶在室温中封闭2 h，漂洗后与一抗（兔抗细胞色素c抗体1∶1000，兔抗GAPDH抗体1∶10000，兔抗COX4 1 µg/mL，兔抗Bcl-2 1∶1000，兔抗Bax 1∶1000，1∶兔抗Cleaved caspase-3 1∶500）在4 ℃条件中孵育过夜，洗涤，再分别与山羊抗兔二抗室温孵育2 h。增强化学发光试剂处理后，凝胶成像仪显影。GAPDH作为细胞质及全细胞蛋白检测的内参，COX4作为线粒体蛋白检测内参。Image J软件分析目的蛋白。
1.8 流式细胞术检测细胞凋亡率
利用Annexin V-FITC/PI试剂盒检测凋亡率。收集处理后的各组细胞，室温中用Annexin V-FITC染色10 min，洗涤后用PI试剂染色10 min。流式细胞仪分析凋亡细胞比例。
1.9 统计学处理
所有数据均表示为“均数±标准差”。独立样本t检验分析2组间差异。单因素方差分析多组间差异，Tukey's事后检验用于多组间的进一步两两比较。P < 0.05认为差异存在统计学意义。所有数据分析和绘图利用GraphPad Prism 8.0完成。
2. 结果
2.1 MPP+诱导对SH-SY5Y细胞线粒体氧化应激的作用
通过MPP+刺激SH-SY5Y细胞构建PD细胞模型，实验检测发现，相比NC组，MPP+诱导组中细胞增殖活力降低，见图1A，差异有统计学意义（P < 0.001）。H2DCF-DA荧光探针检测结果显示，MPP+作用增加SH-SY5Y细胞中ROS水平（P < 0.001，图1B和图1C）。试剂盒检测结果见图1D和图1E，MPP+诱导组中MDA（P < 0.001，图1D）和NADPH氧化酶活性（P < 0.01，图1E）高于NC组。对细胞质和线粒体中细胞色素c检测发现（图2A），与NC组相比，MPP+诱导组SH-SY5Y细胞线粒体中细胞色素c表达降低（P < 0.001，图2B），细胞质中细胞色素c表达升高（P < 0.01，图2B）。双染法流式细胞术结果表明，MPP+刺激组中SH-SY5Y细胞凋亡率高于NC组（P < 0.001，图2C和D）。凋亡相关蛋白表达表明，Bcl-2在MPP+处理组中表达降低（P < 0.01，图2E和F），MPP+处理组中Bax和Cleaved caspase-3表达高于对照组（P < 0.01）。由此可知，MPP+诱导抑制SH-SY5Y细胞增殖，诱导细胞氧化应激和凋亡。
图 1 MPP+诱导对SH-SY5Y细胞线粒体氧化应激的作用A：MPP+诱导对SH-SY5Y细胞增殖活力的作用；B：荧光探针检测ROS水平；C：ROS水平统计；D：试剂盒检测MDA水平；E：试剂盒检测NADPH氧化酶水平；与NC组比较，**P < 0.01，***P < 0.001。Figure 1. Effect of MPP+ induction on mitochondrial oxidative stress in SH-SY5Y cells
图 2 MPP+诱导对SH-SY5Y细胞中细胞色素C和细胞凋亡的影响A：Western blot用于检测细胞色素c的蛋白表达；B：细胞色素c蛋白表达统计；C：细胞凋亡检测；D：细胞凋亡率统计；E：Western blot检测凋亡相关蛋白表达；F：凋亡相关蛋白表达统计；与NC组相比，**P < 0.01，***P < 0.001。Figure 2. Effect of MPP+ induction on cytochrome c and cell apoptosis in SH-SY5Y cells2.2 PPF对MPP+诱导的SH-SY5Y细胞线粒体氧化应激和凋亡的作用
有研究表明，PPF可抑制大脑中的氧化应激水平，对氧化损伤的神经具有保护作用[4]。但其对MPP+刺激引起的细胞氧化应激的作用尚不清楚。利用不同浓度的PPF分别刺激SH-SY5Y细胞，探讨其对细胞线粒体氧化应激的作用。对细胞增殖活力检测发现，与MPP+组相比，PPF处理促进细胞的增殖活力（P < 0.001），且随着PPF浓度的增加，细胞的增殖活力增加，其中40 μM和80 μM PPF处理对细胞增殖活力没有明显差异，见图3A。流式细胞术检测H2DCF-DA探针荧光强度，结果见图3B、图3C，PPF处理组中ROS浓度降低，20 μM、40 μM和80 μM组与未经PPF处理组相比差异有统计学意义（P < 0.001）。对MDA和NAGPH氧化酶水平检测发现，随着刺激细胞的PPF浓度增加，细胞中MDA（P < 0.001），见图3D和NADPH氧化酶（P < 0.001，图3E）的水平逐渐降低，40 μM和80 μM PPF处理组中MDA和NADPH氧化酶浓度差异无统计学意义（P > 0.05）。
图 3 PPF调控MPP+诱导的SH-SY5Y细胞线粒体氧化应激A：不同浓度PPF对SH-SY5Y细胞增殖活力的作用；B：ROS荧光强度统计；C：荧光探针检测不同浓度PPF对ROS水平的影响；D：不同浓度PPF对细胞中MDA浓度的影响；E：不同浓度PPF对细胞中NADPH氧化酶浓度的影响；与MPP+组比较，*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001。Figure 3. PPF regulated MPP+-induced mitochondrial oxidative stress in SH-SY5Y cells随后，通过Western blot检测SH-SY5Y细胞线粒体和细胞质中细胞色素c的蛋白表达，见图4A，相比较于MPP+组，PPF刺激促进线粒体中细胞色素c的蛋白表达（P < 0.001），见图4B，降低细胞色素c在细胞质中的水平（P < 0.001），见图4B。对细胞凋亡率检测发现，PPF预处理可减少MPP+诱导的细胞凋亡，且40 μM和80 μM PPF刺激组细胞的凋亡率与MPP+组相比差异有统计学意义（P < 0.001），见图4C和图4D。Western blot结果显示，Bcl-2相对表达随PPF的浓度升高而升高（P < 0.001，图4E和F），Bax和Cleaved caspase-3表达随PPF的浓度升高降低，且在40 μM和80 μM PPF组中Bcl-2、Bax和Cleaved caspase-3相对表达与对照组相比差异有统计学意义（P < 0.001）。由此表明，PPF通过抑制SH-SY5Y细胞线粒体氧化应激和凋亡，降低MPP+诱导的神经毒性。
图 4 PPF调控MPP+诱导的SH-SY5Y细胞中细胞色素c和细胞凋亡A：Western blot检测线粒体及细胞质中细胞色素c的蛋白表达；B：细胞色素c蛋白表达统计；C：细胞凋亡率检测；D：细胞凋亡率统计；E：Western blot检测凋亡相关蛋白表达；F：凋亡相关蛋白表达统计；与MPP+组比较，**P < 0.01，***P < 0.001。Figure 4. PPF regulated MPP+-induced cytochrome c and cell apoptosis in SH-SY5Y cells3. 讨论
PD 是一种进行性、年龄依赖性神经退行性疾病。由于全球人口预期寿命的延长，PD患者的数量将随老龄化进一步增加，给经济和医疗保健系统增加很大的负担[5]。因此，了解疾病的发病机制对寻找PD的有效治疗方法至关重要。
3.1 诱导PD细胞模型的常见试剂
笔者的研究表明，MPP+诱导可抑制SH-SY5Y细胞的增殖，促进细胞的氧化应激并诱导细胞凋亡。此外，还可通过6-羟基多巴胺（6-hydroxydopamine，6-OHDA）、1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）、百草枯、鱼藤酮等神经毒素诱导PD细胞模型。Alarcon-Gil等[6]利用35 μM 6-OHDA处理的SH-SY5Y细胞存活率明显降低，凋亡率增加。Yao等[7]通过2500 μM MPTP诱导PC12细胞构建PD模型，诱导后的细胞存活率降低、凋亡增加、线粒体膜电位降低、ROS水平增加。300 μM/mL的百草枯诱导SH-SY5Y细胞可抑制细胞活力、促进细胞凋亡和ROS积累[8]。Han等[9]利用鱼藤酮诱导SH-SY5Y细胞，发现1～200 μM鱼藤酮可降低细胞活力并促进细胞凋亡。
3.2 氧化应激与PD
氧化应激在PD的发生和发展中发挥主导作用。目前，已经有大量研究表明抑制氧化应激可缓解PD。过表达miR-375可通过抑制SP1，改善PD大鼠的神经炎症和氧化应激，促进大鼠纹状体中的多巴胺含量并减轻神经元凋亡[10]。恩格列净可以缓解鱼藤酮诱导的PD大鼠内质网应激并增强自噬[11]。抗组胺药依巴斯汀可通过下调PD模型小鼠的氧化应激、组胺和炎症水平，减轻PD症状[12]。注射硒纳米颗粒至PD大鼠可减轻氧化应激，降低MDA水平[13]。白藜芦醇可充当抗氧化剂，提高内源性抗氧化状态、清除ROS，从而减少PD的氧化应激[14]。笔者的研究发现，PPF预处理可减轻MPP+诱导对HY-SY5Y细胞增殖的抑制作用，降低细胞中ROS、MDA以及NADPH水平，减少细胞凋亡。
3.3 PPF与氧化损伤
PPF是常见的静脉镇静药物，具有起效快、消除快、作用持续时间短、麻醉恢复快、不良反应发生率低、无致畸和致突变作用等特点，是临床上广泛使用的静脉镇静剂。研究发现，PPF具有抗氧化特性，可通过降低氧化应激对脑缺血再灌注损伤[15]、心肌梗死[16]、PD大鼠[4]等氧化损伤起保护作用。在心肌缺血再灌注损伤中，PPF可减轻异丙肾上腺素诱导的氧化损伤、炎症反应和心肌细胞凋亡[16]。PPF通过减少促炎细胞因子的分泌、乙酰胆碱酯酶活性以及氧化应激水平，保护大鼠脑室内链脲佐菌素诱导的认知功能障碍和神经元损伤[17]。在顺铂诱导的周围神经病变大鼠中，PPF可增加内源性抗氧化剂，减少脂质过氧化以及炎症水平，对顺铂诱导的神经毒性发挥保护作用[18]。笔者发现40 μM和80 μM PPF预处理后，MPP+诱导的SH-SY5Y细胞增殖活性相比于对照组增加，氧化应激水平和凋亡率明显降低，表明PPF可能通过抑制氧化应激对PD模型细胞具有保护作用。同时，Wang等[19]也表明，PPF可缓解MPP+诱导的神经毒性。高青等[20]发现，PPF可通过激活Nrf2抑制RAGE/NF-κB信号通路，抑制PD大鼠脑黑质区的神经炎性因子，改善大鼠认知障碍。对于需要全身麻醉的PD患者，具有神经保护及抗氧化作用的PPF对需要全身麻醉的PD患者具有良好优势。然而，PPF对PD中氧化应激的具体调节机制需要在未来的研究中进一步探索。
综上所述，MPP+刺激可抑制SH-SY5Y细胞的增殖、诱导氧化应激和细胞凋亡。PPF预处理可明显缓解细胞的氧化应激和凋亡，对MPP+处理的细胞具有保护作用。
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图 1 MPP+诱导对SH-SY5Y细胞线粒体氧化应激的作用
A：MPP+诱导对SH-SY5Y细胞增殖活力的作用；B：荧光探针检测ROS水平；C：ROS水平统计；D：试剂盒检测MDA水平；E：试剂盒检测NADPH氧化酶水平；与NC组比较，**P < 0.01，***P < 0.001。
Figure 1. Effect of MPP+ induction on mitochondrial oxidative stress in SH-SY5Y cells
图 2 MPP+诱导对SH-SY5Y细胞中细胞色素C和细胞凋亡的影响
A：Western blot用于检测细胞色素c的蛋白表达；B：细胞色素c蛋白表达统计；C：细胞凋亡检测；D：细胞凋亡率统计；E：Western blot检测凋亡相关蛋白表达；F：凋亡相关蛋白表达统计；与NC组相比，**P < 0.01，***P < 0.001。
Figure 2. Effect of MPP+ induction on cytochrome c and cell apoptosis in SH-SY5Y cells
图 3 PPF调控MPP+诱导的SH-SY5Y细胞线粒体氧化应激
A：不同浓度PPF对SH-SY5Y细胞增殖活力的作用；B：ROS荧光强度统计；C：荧光探针检测不同浓度PPF对ROS水平的影响；D：不同浓度PPF对细胞中MDA浓度的影响；E：不同浓度PPF对细胞中NADPH氧化酶浓度的影响；与MPP+组比较，*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001。
Figure 3. PPF regulated MPP+-induced mitochondrial oxidative stress in SH-SY5Y cells
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