不同能量的培養條件對人神經母細胞瘤株SH-SY5Y細胞生長的影響

趙靜姝，王 蓉，張景燕，吳燕川，姬志娟

(首都醫科大學宣武醫院中心實驗室，老年病醫療研究中心，神經變性病教育部重點實驗室，北京 100053)

熱量限制(caloric restriction，CR)是指一種有計劃的減少由食物提供的熱量的進食方式，一般是指在生物體所攝入營養成分保證其不發生營養不良的情況下，將正常自由進食(ad libitum，AL)所得熱量減去30%～50%。最早由McCay等人于上世紀30年代提出，并發現這種進食方式可以延長小鼠的平均壽命和最長壽命［1］。

CR的研究多集中在各種動物模型中，CR可以降低體重，下調血壓，降低空腹血糖、胰島素和膽固醇水平，維持年輕的生理狀態［2］。對恒河獼猴進行長達20多年的CR研究發現，CR可降低恒河獼猴糖尿病、癌癥、心血管疾病和腦萎縮等多種年齡相關性疾病的發生并延緩衰老［3］，并對很多年齡相關的如紋狀體體積下降，運動功能遲緩，機體免疫系統下降等都有改善作用［4］。

目前對于熱量限制的體外細胞模型的研究報道較少，本實驗旨在通過降低培養液中細胞的主要能量消耗來源葡萄糖的方式建立SH-SY5Y細胞熱量限制模型，進一步探討CR對細胞生長的影響，并為下一步探討CR對人體各種作用的作用機制的研究打下基礎，提供良好的體外模型。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 細胞株：人神經母細胞瘤株SH-SY5Y細胞來自瑞典卡羅琳斯卡醫學院。

1.1.2 試劑：噻唑蘭 (MTT)購自Sigma公司，二甲基亞砜(DMSO)購自北京亞太精細化工公司，乳酸脫氫酶(LDH)測定試劑盒購自北京化工廠，編號001012。

1.2 方法

1.2.1 細胞培養：正常對照組細胞培養條件為DMEM ×F12(Gibco)培養基中加入10% 胎牛血清、青霉素100IU/m L、鏈霉素100IU/m L于37℃，5%CO2培養箱中培養，6天傳代1次，中間換液1次。高糖組與低糖組培養基分別為DMEM(4.5g/L L-glucose)和DMEM(2.0g/L L-glucose)加10%胎牛血清，余與正常對照組相同。

1.2.2 MTT代謝率測定：將SH-SY5Y細胞以2× 103/m L接種于96孔板(Costar產品)，分為以上三組，每組12孔，培養3d后統一換成DMEM ×F12無血清培養液，繼續培養24h后做MTT代謝率測定，每孔加MTT(5mg/m L)20μL，37℃孵育4h，吸出培養液，每孔加入DMSO 200μL，振搖10min，用全波長酶標儀(Multiskan Spectrum)測定550nm處光密度值(A)。

1.2.3 細胞生長形態觀察及細胞計數：將 SHSY5Y細胞以2×102/m L接種于6孔板(Costar產品)，分為以上3組，每組8孔，自接種后第3、5、7、9、11、13、15、16天時，用倒置顯微鏡(Olympus產品)觀察細胞形態，并采用臺盼藍染色計數法計算細胞數目。

1.2.4 LDH漏出率測定：將細胞計數實驗中各孔細胞培養液收集，按照 LDH測定試劑盒所示方法(比色法)，測定550nm處光密度值，同時做LDH標準曲線。

1.3 統計學分析

用SPSS 11.5軟件統計分析，資料數據以平均值±標準差(±s)表示，組間差異顯著性檢驗用單因素方差分析(One Way ANOV)及重復資料的方差分析。P＜0.05認為差異有顯著性意義，P＜0.01認為差異有非常顯著性意義。

2 結果

2.1 MTT代謝率測定

結果顯示高糖組A值為0.573±0.001，低于對照組(0.742±0.003)，降低幅度為22.78%，兩組相比P＜0.01；低糖組 A值為0.428±0.003，低于對照組，降低幅度為 42.32%，兩組相比 P＜0.01。(圖1)

2.2 細胞生長曲線

細胞生長曲線如圖2所示，在生長初期，各組細胞均隨生長天數延長，數目顯著增多，到第11天左右，各組細胞達到生長頂峰，隨后各組細胞以不同速度死亡。其中與對照組相比，高糖組細胞生長略慢，當達到頂峰后，細胞死亡明顯，細胞數目下降幅度較大。而低糖度細胞總體生長過程緩慢，在達到頂峰以后，細胞死亡不太明顯，而且在實驗觀察終點，低糖組細胞數目高于對照組和高糖組，說明低糖生長環境下細胞生長慢，代謝速度低，對衰老的細胞起到了一定的保護作用，降低細胞的死亡速度。

圖1 不同能量對SH-SY5Y細胞生長代謝率的影響Fig.1 Effect of different energy supplies on the metabolic rate of SH-SY5Ycells注：與對照組相比，＊＊P＜0.01Note：＊＊P＜0.01，compared with the control group

圖2 不同能量組細胞生長曲線Fig.2 The cell growth curves of different groups

2.3 細胞形態學觀察

圖3所示為各組細胞在不同生長階段時的細胞形態。圖3.1所示為生長初期第3天的細胞形態，各組細胞數目尚少，細胞在6孔板中分布集中，成簇生長，低糖組細胞數目明顯較其他兩組少。圖3.2所示為生長中期第11天的細胞形態，各組細胞達到匯合狀態，數目達到頂峰，細胞生長良好，尤其是低糖組的細胞突起伸展良好細長，而高糖組細胞的突起則相對縮短，不明顯。圖3.3所示為生長末期第16天時細胞形態，各組細胞之間差異比較明顯，高糖組細胞死亡顯著，視野中僅殘存少量活細胞，對照組細胞死亡相對較少，但是細胞已經有皺縮，突起結構消失，失去活性，臺盼藍染色時著色較深，低糖組細胞較對照組和高糖組細胞死亡數目少，活性好(圖3見文后彩插3)。

2.4 LDH漏出率測定結果

圖4所示為各組細胞在不同生長階段的LDH漏出率測定結果。高糖組的LDH漏出率始終較其他兩組高，說明高糖組代謝快，而且在生長階段的初期，高糖組與對照組相比，LDH漏出率的差異有統計學意義。在生長階段后期高糖組和正常組細胞較低糖組受損明顯，代謝產生的廢物等致使細胞生長環境變差，不利于細胞生長，從而使細胞大量死亡，LDH漏出顯著，而低糖組細胞則因代謝緩慢，整個生長環境相對平衡，從而細胞在生長后期仍能保持良好的生長狀態，LDH漏出率與對照組相比差異有統計學意義。而且LDH漏出率的結果與生長曲線相結合來看結果是一致的。

圖4 不同能量組LDH漏出率的測定結果Note：＊＊P＜0.01，the high glucose group compared with the control group；★★P＜0.01，the low glucose group compared with the control group.Fig.4 The cell LDH leakage rates in different groups

3 討論

熱量限制(30% ～50%)這種對機體的干預方式的有利作用已經在各種生理和病理動物模型中得到驗證，作用廣泛，涉及到延緩衰老、對抗各種老年性疾病，使機體保持年輕生理狀態等。其中熱量限制對于改善動物認知功能，預防和改善神經退行性疾病的作用也是當今研究的熱點之一。SH-SY5Y細胞來源于人神經母細胞瘤，其細胞形態及生理、生化功能與正常神經元相似，已廣泛用于神經生物學的研究。本實驗遵循熱量限制的定義，將在體適度熱量限制轉換成降低細胞體外培養條件中葡萄糖的濃度，將一般體外培養人神經母細胞瘤細胞SH-SY5Y葡萄糖濃度從 3.15g/L下降到 2g/L (36%熱量限制)，觀察這樣的條件對細胞基本生長情況的影響，并采用高糖培養條件作為陽性對照，應用MTT代謝率測定，細胞生長曲線及LDH漏出率測定等基本指標對這一體外模型進行評價。

本實驗觀察到低糖培養條件下MTT代謝率測定結果低，細胞代謝緩慢，在整個生長周期中，細胞生長緩慢，生長環境相對穩定，該組細胞保持了較恒定的細胞生長能力和修復能力，雖然早期細胞生長較慢，但是其保持了一定的增殖潛力，在實驗末期相對于其他兩組死亡不明顯，LDH漏出率偏低，殘存有活性的細胞數較多，細胞形態仍較年輕，如突起伸展良好。我們得到的結論是低糖培養條件不但不會對細胞造成損傷，反而起到一定程度的保護作用，延緩細胞進入衰老階段的進程，讓細胞處在有活力的生長階段。這一結論與CR在動物實驗中的研究結論相一致［6］，CR可以使機體延緩衰老，可能就是CR使細胞保持了年輕的生理狀態，從而使得整個機體處于協調狀態，更有效的延長壽命，延緩衰老。

在上述低糖培養條件對人神經母細胞瘤細胞SH-SY5Y降低代謝，保護其生長能力的同時，作為陽性對照的高糖培養條件顯示了一系列相反的作用，高糖培養條件可以導致細胞衰老加快，LDH漏出率增加，死亡加速，和既往報道結果一致［7］。

熱量限制對機體的各種作用機制已經被人們研究了70多年，仍然未完全得以闡述，本實驗通過建立人神經母細胞瘤細胞株SH-SY5Y熱量限制模型，可在相對簡單可控條件下進行生長、代謝以及深入分子信號轉導相關的一系列細胞和分子水平的研究，為熱量限制對神經系統疾病的研究提供了基礎支持。

［1］McCay CM，Crowell MF，Maynard LA.The effect of retarded growth upon the length of life and upon ultimate size.1935［J］.Nutrition，1989，5(3)：155-171.

［2］Ding Q，Ash C，M racek T，et al.Caloric restriction increases adiponectin expression by adipose tissue and prevents the inhibitory effect of insulin on circulating adiponectin in rats［J］.J Nutr Biochem，2011，［Epub ahead of print］.

［3］Colman RJ，Anderson RM，Johnson SC，et al.Caloric restriction delays disease onset and mortality in rhesus monkeys［J］.Science，2009，325(5937)：201-204.

［4］Matochik JA，Chefer SI，Lane MA，et al.Age-related decline in striatal volume in rhesus monkeys：assessment of long-term calorie restriction［J］.Neurobiol Aging，2004，25(2)：193-200.

［5］Colman RJ，Beasley TM，Allison DB，et al.Attenuation of sarcopenia by dietary restriction in rhesus monkeys［J］.J Gerontol A Biol Sci Med Sci，2008，63(6)：556-559.

［6］Edward JM.Overview of caloric restriction and aging［J］.Mechanisms Aging Dev，2005，126(9)：913-922.

［7］王蓉，張景艷，張岱，等.APP17肽對高糖引起神經毒作用的影響［J］.中國糖尿病雜志，2000，8(3)：168-170.