生育酚及其衍生物保護自由基誘導的生物大分子損傷和抑制HepG2細胞增殖的作用

韓靜靜，田丹丹，高玉星，肖春霞

（西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100）

VE又名生育酚，是生物體內的天然抗氧化劑，廣泛分布于谷物、種子、果蔬和動物產品中，具有清除自由基[1]、維持哺乳動物及禽類生育[2-3]、調節免疫[4]、抑制血小板凝集和黏附[5]等功能。但VE不溶于水，遇堿不穩定，對氧氣、光照敏感，易被氧化，并且某些金屬離子如Fe2＋可加速其氧化[6]。此外，Reboul等[7]發現VE的生物利用率不穩定，容易受到食物基質、食品加工過程等的影響，因此限制了其在食品、藥品和化妝品等領域中的應用。隨著研究的深入，一系列生育酚衍生物如生育酚醋酸酯（tocopheryl acetate，TA）、生育酚煙酸酯（tocopheryl nicotinate，TN）、生育酚琥珀酸酯（α-tocopheryl succinate，α-TOS）等被陸續報道。這些衍生物均是VE的游離羥基與醋酸、煙酸、琥珀酸的羧基酯化形成的酯類衍生物，由于VE的活潑羥基被保護，這些衍生物具有更好的穩定性，而親水性羧基基團則增加了其水溶性。此外，這些衍生物還表現出良好的生物活性，這可能是由于新引入的酸酐結構導致了VE功能的變化[8]。Badraoui等[9]通過體內、體外實驗證明，TA能抑制氧化應激損傷，并能誘導乳腺癌細胞凋亡。Schlieper等[10]發現TN具有改善心律不齊的功效。Prasad等[11]研究發現，與TA、TN相比，α-TOS對黑色素瘤細胞生長分化的抑制作用更明顯。此外，α-TOS對結腸癌[12]、乳腺癌[13]、胃癌[14]等多種惡性腫瘤細胞的增殖有良好的抑制作用。Rego等[15]比較了TN和α-TOS對視網膜細胞氧化的抑制作用，結果表明后者作用更為明顯。大量文獻表明，在眾多生育酚衍生物中α-TOS的生物活性較為突出[11-15]。近年來，一種新的生育酚衍生物——生育酚聚乙二醇1000琥珀酸酯（tocopheryl polyethylene glycol 1000 succinate，TPGS）的綠色合成研究備受關注[16]，TPGS是α-TOS的游離羧基與大量聚乙二醇酯化而成，親水性聚乙二醇極大地改善了TPGS的水溶性，由于其兩親性質，可作為增溶劑、乳化劑、穩定劑等使用[17-18]。Thi等[19]以TPGS為載體制備了不溶性藥物的傳遞體系，可延長藥物在血液及組織中的循環時間。Nguyen等[20]報道TPGS包裹紫杉醇可增加其體外攝取率，使其更容易進入固態瘤中心。Zhu Xianbing等[21]發現槲皮素經TPGS包裹，增加了其水溶性及抗紫外線損傷能力，并提高了其在皮膚表皮層和真皮層的存留量。TPGS已被美國食品藥品監督管理局批準為安全的藥用輔料[22]，但關于TPGS的生物活性鮮有報道。

本研究對比了VE、α-TOS、TPGS對自由基誘導的生物大分子氧化損傷的保護作用，以及對人肝癌細胞（HepG2細胞）增殖的抑制作用，旨在比較研究VE不同衍生物之間生物活性的差異，探討其內在機理，為VE及其衍生物在食品中的廣泛應用提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

VE、α-TOS、TPGS（結構式見圖1） 成都艾科化學技術有限公司；牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA） 上海澤龍生物工程有限公司；2,2’-偶氮二異丁基脒二鹽酸鹽（2,2’-azobis-2-methylpropanimidamide,dihydrochloride，AAPH）、鯡魚精DNA（herring sperm DNA，hsDNA）、亞油酸（linoleic acid，LA）、偶氮二異庚腈（2,2’-azobis(2,4-dimethyl)valeronitrile，AMVN）、3-（4,5-二甲基噻唑-2）-2,5-二苯基四氮唑溴鹽（3-(4,5-dimethyl-2-thiazolyl)-2,5-diphenyl-2-H-tetrazolium bromide，MTT） 美國Sigma公司；2,4-二硝基苯肼（2,4-dinitrophenyl hydrazine，DNPH）、二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO） 美國Amresco公司；三氯乙酸 天津市博迪化工有限公司；硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA） 國藥集團藥業股份有限公司；考馬斯亮藍 北京鼎國昌盛生物技術有限責任公司；五水硫酸銅、30%過氧化氫、七水合硫酸亞鐵、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、無水乙醇、甲醇、冰乙酸均為分析純。

圖1 VE（A）、α-TOS（B）和TPGS（C）的結構式Fig. 1 Structures of VE (A), α-TOS (B) and TPGS (C)

HepG2細胞購自上海生命科學研究院，用含有10%胎牛血清、100 U/mL青霉素和100 μg/mL鏈霉素的RPMI 1640培養基在37 ℃、5% CO2條件下培養。

1.2 儀器與設備

電泳儀（電泳供電裝置）、凝膠成像系統 美國伯樂公司；UV-2450型紫外-可見分光光度計 日本Shimadzu公司；BP211D型精密電子天平 德國Startorius公司；HH-2型恒溫水浴鍋 江蘇省金壇市環宇科學儀器廠；Max M2型多功能微孔板檢測儀 美國Molecular公司。

1.3 方法

1.3.1 Cu2＋/H2O2誘導BSA氧化、羰基化的測定

在BSA終質量濃度為0.8 mg/mL的反應體系中，先加入不同濃度的VE、α-TOS和TPGS使其終濃度分別為10、50、100、500、1 000 μmol/L（均用甲醇溶解），空白組以等體積的磷酸鹽緩沖液代替，模型組以等體積的甲醇代替，漩渦振蕩混勻，置于37 ℃水浴中預處理10 min。然后加入Cu2＋/H2O2反應體系（空白組不加），并將所有反應組用磷酸鹽緩沖液定容至500 μL，使Cu2＋和H2O2的終濃度分別為100 μmol/L和2.5 mmol/L，37 ℃水浴反應60 min。反應結束后，采用考馬斯亮藍R-250染色法檢測BSA氧化損傷程度，采用DNPH比色法檢測BSA羰基化程度[23]。

1.3.2 AAPH誘導BSA氧化、羰基化的測定

蛋白模型和VE、α-TOS、TPGS處理方法同1.3.1節，預處理結束后加入AAPH（空白組不加），使其終濃度為50 mmol/L，置于37 ℃水浴反應5 h。反應結束后，采用考馬斯亮藍R-250染色法檢測BSA氧化損傷程度，采用DNPH比色法檢測BSA羰基化程度[23]。

1.3.3 自由基誘導LA過氧化的測定

采用Fe2＋/VC反應體系產生的羥自由基（·OH）[24]、AMVN熱分解產生的烷氧自由基（ROO·）[25]誘導LA發生脂質過氧化反應。

在LA（甲醇助溶）終濃度為1 mmol/L的反應體系中，先分別加入不同濃度的VE、α-TOS和TPGS使其終濃度分別為10、50、100、500、1 000 μmol/L（均用甲醇溶解），空白組以等體積的磷酸鹽緩沖液代替，模型組以等體積的甲醇代替，混勻后加入Fe2＋/VC或AMVN（空白組不加），將所有反應組用磷酸鹽緩沖液定容至1 mL，使反應體系中Fe2＋、VC、AMVN的終濃度分別為50 μmol/L和1、10 mmol/L。Fe2＋/VC體系37 ℃水浴避光反應24 h，AMVN體系反應12 h。反應結束后，以硫代巴比妥酸反應產物（thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）濃度表示LA脂質過氧化水平[26]。

1.3.4 AAPH誘導DNA氧化損傷的測定

在hsDNA終質量濃度為2 mg/mL的反應體系中，先加入不同濃度的VE、α-TOS和TPGS使其終濃度分別為10、50、100、500、1 000 μmol/L（均用甲醇溶解），空白組以等體積的磷酸鹽緩沖液代替，模型組以等體積的甲醇代替，再加入AAPH溶液（空白組不加），并用磷酸鹽緩沖液將所有反應組定容至1 mL，使AAPH的終濃度為40 mmol/L，混勻后37 ℃水浴反應12 h。反應結束后采用TBA法檢測DNA氧化損傷程度[27]。

1.3.5 MTT法測定細胞活力

將HepG2細胞接種于96 孔板中，置于37 ℃、5% CO2培養箱培養過夜，使細胞貼壁。分別加入不同濃度（10、20、30、40、50 μmol/L）的VE、α-TOS和TPGS，空白組不加。每組設置8 個平行，置于37 ℃、5% CO2培養箱中繼續培養24 h。棄上清液，每孔加入100 μL終質量濃度為0.5 mg/mL的MTT溶液，置于培養箱中繼續培養，4 h后棄去培養液，每孔加入100 μL DMSO，置于搖床上低速振蕩10 min，使結晶物充分溶解。使用多功能微孔板檢測儀測定各孔在570 nm波長處的OD值，并根據下式計算細胞存活率。

1.4 數據分析

2 結果與分析

2.1 VE、α-TOS和TPGS對自由基誘導蛋白質損傷的影響

2.1.1 VE、α-TOS和TPGS對Cu2＋/H2O2誘導BSA氧化降解的影響

圖2 VE、α-TOS和TPGS對Cu2＋/H2O2誘導BSA氧化降解的影響Fig. 2 Effects of VE, α-TOS and TPGS on Cu2+/H2O2-induced BSA oxidative degradation

Fe2＋、Fe3＋、Cu2＋、Mn2＋、Ni2＋等金屬離子可以催化H2O2分解，產生氧化活性更高的·OH，·OH能與所有氨基酸反應[28]，因此本實驗采用Cu2＋/H2O2反應體系誘導BSA氧化損傷，探討VE、α-TOS和TPGS對自由基誘導BSA氧化降解的抑制作用。從圖2A可以看出，VE對Cu2＋/H2O2誘導的BSA氧化降解沒有明顯規律性。而α-TOS、TPGS均濃度依賴性地抑制了BSA的氧化降解，在500、1 000 μmol/L濃度下，α-TOS和TPGS的抑制作用顯著。由圖2D可知，相同濃度下（500 μmol/L），與VE、α-TOS相比，TPGS對Cu2＋/H2O2誘導的BSA氧化降解的抑制作用最明顯，與模型組相比差異極顯著（P＜0.01）。

2.1.2 VE、α-TOS和TPGS對AAPH誘導BSA氧化降解的影響

AAPH是一種水溶性的偶氮類化合物，通過均裂產生ROO·，在37 ℃和中性pH值條件下能穩定地產生自由基[29]。如圖3所示，VE、α-TOS和TPGS均能顯著抑制AAPH誘導的BSA氧化降解，在10～500 μmol/L濃度范圍內呈濃度依賴性，并且在500 μmol/L時最強，在1 000 μmol/L時有所減弱，但與模型組相比仍有極顯著差異（P＜0.01）。圖3D表明，相同濃度（500 μmol/L）處理時，TPGS的抑制作用最明顯，且與空白組相比沒有顯著差異，即500 μmol/L的TPGS很好地抑制了AAPH誘導的BSA氧化降解。

2.1.3 VE、α-TOS和TPGS對Cu2＋/H2O2誘導BSA羰基化的影響

如圖4所示，BSA本身羰基化程度很低，在Cu2＋/H2O2作用下發生明顯的羰基化修飾。加入VE、α-TOS和TPGS后，BSA羰基化程度明顯受到抑制，且抑制作用隨濃度的升高而增強。由圖4D可知，相同濃度（500 μmol/L）的VE、α-TOS和TPGS均能顯著抑制BSA羰基的產生，但TPGS抑制作用最明顯。

圖3 VE、α-TOS和TPGS對AAPH誘導BSA氧化降解的影響Fig. 3 Effects of VE, α-TOS and TPGS on AAPH -induced BSA oxidative degradation

圖4 VE、α-TOS和TPGS對Cu2＋/H2O2誘導BSA羰基化的影響Fig. 4 Effect of VE, α-TOS and TPGS on Cu2+/H2O2-induced carbonylation of BSA

2.1.4 VE、α-TOS和TPGS對AAPH誘導BSA羰基化的影響

圖5 VE、α-TOS和TPGS對AAPH誘導BSA羰基化的影響Fig. 5 Effects of VE, α-TOS and TPGS on AAPH-induced carbonylation of BSA

由圖5可知，AAPH誘導BSA發生明顯的羰基化修飾。VE、α-TOS和TPGS均濃度依賴性地抑制BSA羰基化修飾。如圖5D所示，500 μmol/L的VE、α-TOS和TPGS均顯著抑制了BSA羰基的產生，其中TPGS對AAPH誘導的BSA羰基化損傷的抑制作用最明顯。

2.2 VE、α-TOS和TPGS對自由基誘導LA過氧化的影響

2.2.1 VE、α-TOS和TPGS對Fe2＋/VC誘導LA過氧化的影響

圖6 VE、α-TOS和TPGS對Fe2＋/VC誘導LA過氧化的影響Fig. 6 Effects of VE, α-TOS and TPGS on LA peroxidation induced by Fe2+/VC

圖7 VE、α-TOS和TPGS對AMVN誘導LA過氧化的影響Fig. 7 Effects of VE, α-TOS and TPGS on LA peroxidation induced by AMVN

LA在脂質過氧化過程中會形成亞油酸氫過氧化物、4-羥基壬烯醛、丙二醛等氧化產物，這些產物能與TBA發生反應生成TBARS，其含量是衡量脂質過氧化程度的重要指標之一[30]。由圖6可知，LA在自然條件下自氧化反應很慢，生成TBARS濃度較低，Fe2＋/VC反應體系誘導LA發生過氧化反應，VE、α-TOS和TPGS均顯著抑制了LA過氧化，且其抑制作用隨濃度的升高而增強。圖6D表明，相同濃度（500 μmol/L）下，TPGS對LA過氧化的抑制作用最強。

2.2.2 VE、α-TOS和TPGS對AMVN誘導LA過氧化的影響

AMVN是一種脂溶性偶氮類化合物，通過熱分解產生ROO·，常作為自由基引發劑用于脂質過氧化反應模型的建立[31]。如圖7所示，LA自然條件下生成的TBARS濃度很低，AMVN誘導LA發生過氧化反應，TBARS濃度極顯著增加（P＜0.01）。圖7A～C表明，VE、α-TOS和TPGS均濃度依賴性地抑制了LA過氧化。圖7D表明，相同濃度（500 μmol/L）的VE、α-TOS和TPGS中，TPGS對AMVN誘導的LA過氧化的抑制作用最強。

2.3 VE、α-TOS和TPGS對AAPH誘導DNA氧化損傷的影響

圖8 VE、α-TOS和TPGS對AAPH誘導DNA氧化損傷的影響Fig. 8 Effects of VE, α-TOS and TPGS on AAPH-initiated DNA oxidation

AAPH熱分解生成的ROO·使DNA分子的雙螺旋結構解旋，并最終生成含有羰基的20余種小分子化合物，DNA形成的裂解產物在酸性條件下與TBA反應生成TBARS[27]，本實驗通過檢測TBARS含量來研究不同濃度的VE、α-TOS和TPGS對ROO·誘導DNA氧化損傷的抑制作用。由圖8可知，hsDNA在AAPH誘導下發生氧化損傷。隨著加入VE、α-TOS和TPGS濃度的增加，其對DNA氧化損傷的抑制作用增強。從圖8D可以看出，相同濃度（500 μmol/L）下，TPGS對AAPH誘導的DNA氧化損傷的抑制作用最強。

2.4 VE、α-TOS和TPGS對HepG2細胞活力的影響

圖9 VE、α-TOS和TPGS對HepG2細胞活力的影響Fig. 9 Effects of VE, α-TOS and TPGS on HepG2 cell viability

活細胞能將外源性的MTT還原為水不溶性的藍紫色結晶甲瓚，并沉積在細胞中，經DMSO溶解并測定其OD值可間接反映活細胞數量。MTT法是測定細胞活力最常見、直接的方法[32]。如圖9所示，以空白組細胞存活率為100%，VE對HepG2細胞存活率沒有明顯影響；而隨著α-TOS、TPGS濃度的增加，HepG2細胞存活率逐漸下降，與空白組相比差異極顯著（P＜0.01），其中TPGS對HepG2細胞增殖抑制作用最強。

3 討 論

VE常作為油脂加工中的抗氧化劑應用在肉類腌制中防止亞硝胺的生成，此外還具有多種生理功能。Azzi等[33]報道VE能改善與氧化應激相關的心血管疾病、癌癥、神經退行性疾病、白內障等疾病。Bo?kovi?等[34]發現補充一定量的VE可改善精神分裂癥患者的運動阻滯狀況。但VE在氧氣存在條件下不穩定，α-TOS和TPGS通過酯化修飾提高了化學穩定性，其中α-TOS能顯著抑制巨噬細胞NO的生成[35]，并降低環孢菌素A對大鼠肝細胞的毒性[36]。TPGS由于具有良好的水溶性，被廣泛應用于難溶藥物的傳遞體系中，以提高藥物的滲透性和吸收效率[18,37-38]，但尚鮮有針對VE和其水溶性衍生物α-TOS、TPGS生物活性差異的報道。

自由基具有未配對電子，化學性質非常活潑。在正常條件下，自由基參與細胞內的信號轉導、免疫防御、增殖、凋亡等多種生理活動[39]。當體內氧化和抗氧化體系平衡被打破時，過量的自由基就會攻擊體內的蛋白質、脂質、DNA等生物大分子，最終造成機體損傷。活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）是自由基的一種，在應激狀態下可攻擊蛋白質、脂質、DNA等，進而誘發多種疾病，例如腫瘤[40]、神經退行性疾病[41]等。研究表明，ROS不僅參與腫瘤的產生，還與腫瘤的轉移密切相關[42]。

本實驗以Cu2＋/H2O2、AAPH、AMVN等體系誘導產生自由基，對比研究VE、α-TOS、TPGS對自由基引起的生物大分子體外損傷的保護作用，結果表明，與VE、α-TOS相比，TPGS對生物大分子（蛋白質、脂質、DNA）損傷的保護作用最強。許多學者曾認為α-TOS發揮抗腫瘤功效是由于α-TOS水解釋放的VE發揮的作用，但多項研究表明，α-TOS是以整體的分子形式發揮作用，并不依賴于VE[43-44]。本研究結果顯示，TPGS對自由基誘導的生物大分子損傷的保護作用優于VE，推測TPGS可能也是以整體分子形式發揮抗氧化作用的，而不依賴于其水解產生的VE。TPGS結構中的琥珀酸酯保護了化學性質活潑的酚羥基，提高其穩定性，而高度聚合的聚乙二醇結構保護琥珀酸的另一個游離羧基，隨著聚乙二醇鏈段長度的增加，親水性也隨之增加。TPGS由于具有兩親性，在磷酸鹽緩沖液中，其疏水端與生物大分子（蛋白質、脂質、DNA）相互作用，吸附在生物大分子表面，而聚乙二醇與水具有較強的親和力，在磷酸鹽緩沖液中充分伸展，為自由基攻擊生物大分子提供了較大的空間位阻，從而達到對生物大分子的最佳保護效果。在HepG2細胞模型中，VE對HepG2細胞的存活率沒有明顯影響，而α-TOS和TPGS均能夠顯著降低HepG2細胞存活率，其中TPGS的抑制作用更為明顯。這可能是由于TPGS親水性強，與生物膜磷脂成分的相互作用弱，透過生物膜時的阻力減小、效率增加，在HepG2細胞內有效濃度大大增加。P-糖蛋白是一種由基因編碼的跨膜蛋白，在小腸、肝、腎等組織中分布廣泛，能夠外排大量結構和功能各異的外源性分子，Dintaman等[45]的研究表明TPGS是一種P-糖蛋白的抑制劑，可以抑制P-糖蛋白的外排作用，由此推測TPGS可能通過抑制HepG2細胞膜P-糖蛋白的外排作用，增加其在細胞內的濃度，從而更有效地抑制HepG2細胞增殖。

4 結 論

本實驗采用多種自由基體系對比研究VE及其衍生物α-TOS、TPGS對自由基引起的生物大分子體外損傷的保護作用，并從抑制HepG2細胞增殖方面比較其生物活性的差異，發現TPGS的抑制作用最顯著。這可能是由于TPGS引入了親水性強的聚乙二醇結構，在磷酸鹽緩沖液中充分伸展，為自由基攻擊生物大分子提供了較大的空間位阻；并且TPGS親水性強，更容易透過生物膜，減少生物膜的外排作用，提高在細胞中的有效濃度。作為一種安全的食品藥品傳遞載體，相較于VE和傳統的VE衍生物，TPGS具有更好的水溶性和穩定性。本研究結果將對VE及其衍生物的廣泛應用提供一定的理論依據。