基于UPLC-Q/TOF MS 技術探討竹節參總皂苷對HepG2細胞脂質代謝的改善作用

徐 睿，鐘品菲，周昌園，胡雪黎，袁小鹿，胡澤華，張淇淞，楊 寶*

（1.風濕性疾病發生與干預湖北省重點實驗室（湖北民族大學），湖北 恩施 445000；2.湖北民族大學 武陵山中藥材檢驗檢測中心，湖北 恩施 445000；3.湖北民族大學 醫學部，湖北 恩施 445000；4.廣州中醫藥大學中藥學院，廣東 廣州 510006；5.廣西大學 醫學院，廣西 南寧 530004）

細胞是生物體結構和功能的基本單位，在生命活動中扮演了重要角色。細胞代謝組學能夠針對性地研究藥物對單細胞或單細胞株的代謝調控過程，直觀反映藥物刺激后的影響，與藥物作用機制研究更加契合，且與機體整體水平的代謝組學相比受干擾更小。應用代謝組學技術研究藥物作用于細胞后代謝譜的變化，對于體外研究藥物的作用機制具有重要意義。竹節參來源于五加科植物竹節參Panax japonicusC.A.Mey.的根莖，能夠散瘀止血、祛痰止咳、補虛強壯、消腫止痛［1］。竹節參收載于《中國藥典》，恩施地區的資源豐富，土家族民間醫生常用其治療心腦血管疾病，療效顯著［2-3］。竹節參富含三萜皂苷，總皂苷是其改善糖脂代謝的活性物質［4］。肝臟是機體脂質代謝的場所，HepG2 細胞與正常肝細胞的代謝功能較為接近，目前HepG2細胞脂質沉積模型廣泛應用于降脂藥物的體外活性篩選及分子機制研究，并為后續的體內研究提供參考依據。相關文獻報道，竹節參總皂苷可以顯著抑制HepG2細胞脂質沉積模型的甘油三酯合成，減少細胞內脂質累積，表現出較好的體外降脂活性［5］。目前未有文獻從細胞代謝角度研究竹節參總皂苷改善HepG2細胞脂質代謝的作用機制。

本研究采用改良的Bligh-Dyer法提取HepG2細胞內源性代謝物，基于超高效液相色譜-四極桿飛行時間質譜（UPLC-Q/TOF MS）技術和多元統計分析篩選差異代謝物，并結合通路分析初步闡明了竹節參總皂苷改善HepG2細胞脂質代謝的機制。本研究有望在細胞代謝水平上更加深入地闡述竹節參總皂苷的降脂作用機制，為后續的體內降脂作用機制研究和新藥開發提供參考資料，同時也為其他降脂中藥的研究提供思路。

1 實驗部分

1.1 藥品與試劑

甘油三酯（TG）試劑盒（南京建成生物制品研究所）；胎牛血清、高糖DMEM 培養基、磷酸鹽（PBS）緩沖液、牛血清白蛋白、0.25%胰蛋白酶、青霉素、鏈霉素（Gibco 公司）；油酸鈉、棕櫚酸鈉（生工生物工程有限公司）；油紅O染色液（Sigma公司）；甲醇、乙腈、異丙醇、二氯甲烷（質譜級，默克公司）。竹節參總皂苷為自制，采用紫外-可見分光光度法測得其皂苷含量為84.1%。HepG2 細胞購自ATCC 細胞庫。

1.2 儀 器

ACQUITY UPLC I-Class 色譜儀、Xevo G2-XS Q-TOF 高分辨質譜儀、Progenesis QI 軟件（沃特世公司）；Eppendorf 真空離心濃縮儀（德國艾本德公司）；多功能酶標儀（賽默飛世爾科技公司）；熒光倒置顯微鏡（麥克奧迪實業集團公司）。

1.3 細胞培養、分組及處理

HepG2 細胞用含10%胎牛血清、1%青霉素-鏈霉素的高糖DMEM 培養基，在5% CO2、37 ℃條件下培養，生長至鋪滿瓶底80%左右時棄去培養液，加入0.25%的胰酶消化液消化，每3 天按1∶3 比例傳代1 次，取對數生長期的細胞進行實驗。將細胞混懸液接種于6 孔板，分為對照組（Control）、模型組（Model）、竹節參總皂苷組（PJTS，50 mg/L），模型組、竹節參總皂苷組另加入1 mmol/L 的油酸和棕櫚酸混合液（2∶1，體積比）刺激24 h，竹節參總皂苷組再加藥物培養24 h。棄去培養液后用4%多聚甲醛固定30 min，處理后進行油紅O染色分析。另收集各組細胞，檢測TG含量。

1.4 樣品收集與處理

按“1.3”方法處理細胞，每組平行12份，培養結束時棄去培養液，用PBS緩沖液清洗2次，然后采用液氮迅速淬滅細胞。加入500 μL 甲醇-水（4∶1，體積比），刮下細胞并轉移至離心管中，重復2次。低溫真空濃縮干燥，殘渣中加入400 μL甲醇-水（2∶1）和400 μL二氯甲烷，冰浴超聲5 min。13 000 r/min 離心15 min，分別吸取上層（極性部位）和下層（非極性部位）溶液，低溫真空濃縮干燥。上層加入100 μL 乙腈-水（3∶1，體積比）溶解，下層加入600 μL 異丙醇-乙腈-水（2∶1∶1，體積比）溶解，13 000 r/min離心15 min，取上清液進樣分析。質控樣品由各樣本吸取30 μL混合得到。

1.5 色譜與質譜條件

Acquity HSS T3 色譜柱（100 mm×2.1 mm，1.8 μm）。非極性部位：乙腈/水（3∶2，A）-異丙醇/乙腈（9∶1，B）（正模式：均含0.1%甲酸和10 mmol/L 甲酸銨；負模式：均含0.01%甲酸），洗脫程序為：0.0～3.5 min，65%～57% A；3.5～3.6 min，57%～48% A；3.6～11.0 min，48%～30% A；11.0～17.5 min，30%～1% A；進樣量為6 μL。極性部位：乙腈（A）-水（B）（正模式：均含0.1%甲酸；負模式：均含0.01%甲酸），洗脫程序為：0.0～4.0 min，2% A；4.0～7.0 min，2%～8% A；7.0～13.0 min，8%～30% A；13.0～20.0 min，30%～100% A；進樣量為7 μL。流速為0.4 mL?min-1，柱溫為40 ℃。

Xevo G2-XS Q-TOF 高分辨質譜儀，配備電噴霧電離源，源溫度為110 ℃，毛細管電壓為3.0 kV（-3.0 kV），錐孔電壓為40 V（-40 V），脫溶劑氣為900 L?h-1，溫度為550 ℃，錐孔氣為50 L?h-1，掃描范圍m/z50～1 200，亮氨酸腦啡肽實時校正，全信息串聯質譜數據采集模式。

1.6 數據處理及生物標志物篩選

采用Progenesis QI 軟件進行峰識別、峰提取、歸一化，然后將數據導入SIMCA-P 軟件中進行主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判別分析（OPLS-DA），根據差異變化倍數（≥1.50或≤0.67）、t檢驗（P＜0.05）、變量投影重要性指標（VIP≥1.0）篩選差異代謝物，使用MetaboAnalyst軟件進行代謝通路分析。

2 結果與討論

2.1 竹節參總皂苷對HepG2細胞脂質沉積模型脂質代謝的影響

如圖1所示，與對照組相比，模型組細胞內的紅色脂滴顯著增多，出現脂質沉積現象，TG 顯著升高（P＜0.01），提示誘導脂質沉積模型成功。與模型組相比，竹節參總皂苷組細胞內的紅色脂滴顯著減少，TG顯著降低（P＜0.01），提示竹節參總皂苷顯著改善了HepG2細胞脂質沉積模型的脂質代謝。

圖1 對照組（A）、模型組（B）、竹節參總皂苷組（C）細胞的油紅O染色圖及對TG水平的影響（D）Fig.1 Oil red O staining of HepG2 cells in control（A），model（B） and PJTS（C） groups，and effect of PJTS on TG level（D）

2.2 典型基峰色譜圖

質控樣品極性和非極性部位的基峰色譜圖如圖2所示，色譜峰的數目較豐富，分離度和響應較好。經過降噪、峰識別、峰提取等處理后，最終導出的數據矩陣結果顯示，極性部位在正離子模式下檢測到7 171個色譜峰，負離子模式下檢測到3 394個色譜峰；非極性部位在正離子模式下檢測到1 959個色譜峰，負離子模式下檢測到3 747個色譜峰。本研究在Bligh-Dyer法的基礎上考察了不同體積比的二氯甲烷-甲醇-水作為提取溶劑、冰浴超聲5 min或凍融循環3次的提取效率，以代謝特征峰數目、峰面積的相對標準偏差（RSD）為評價指標，優選最佳的樣本處理方法。結果顯示，二氯甲烷-甲醇-水（2∶2∶1）冰浴超聲5 min的提取效果最好，代謝物的種類交叉較少，特征峰數最多，重復樣本的90%以上特征峰峰面積的RSD 小于15%。針對脂質同分異構體較多、保留時間較接近，普通色譜條件分離難度較大的特點，本研究在分析包含脂質的非極性部位時選擇乙腈/水（3∶2）-異丙醇/乙腈（9∶1）流動相體系［6］，并優化了梯度洗脫程序，結果顯示不同類型的脂質依次被洗脫，分離度和響應較好（圖2）。在經典的脂質分析色譜條件中，ESI 負離子模式下流動相中會添加10 mmol/L 甲酸銨［6］。但本課題組在前期的多批次脂質分析實驗中發現，ESI負離子模式下流動相中添加10 mmol/L 甲酸銨會嚴重抑制部分脂質的響應。因此本研究最終改為添加0.01%甲酸，在保證響應的同時兼顧了峰形和分離度。

圖2 極性（A、B）和非極性部位（C、D）質控樣品的基峰色譜圖Fig.2 Representative base peak chromatograms for the polar（A，B） and nonpolar（C，D） fraction of QC sample A，C：positive mode；B，D：negative mode

2.3 方法可靠性評估

PCA分析得分圖（圖3）中質控樣本（n=12）聚集良好，均在標準偏差的2倍范圍內。經過降噪、峰識別、峰提取等處理后，導出的數據矩陣結果顯示，質控樣本極性部位在正、負離子模式下峰面積的RSD 小于15%的色譜峰分別占87%和88%，非極性部位在正、負離子模式下峰面積RSD 小于15%的色譜峰分別占86%和89%，所有變量保留時間的RSD 均小于2.0%，表明儀器和樣品的穩定性及重復性良好，所得數據可靠。

圖3 4組極性（A、D）和非極性部位（G、J）的PCA得分圖，模型組和竹節參總皂苷組極性（B、C、E、F）和非極性部位（H、I、K、L）的OPLS-DA得分圖和200次置換檢驗圖Fig.3 PCA score plots for the polar（A，D） and nonpolar fraction（G，J） of 4 groups，OPLS-DA score plots and 200 times permutation test for the polar（B，C，E，F） and nonpolar fraction（H，I，K，L） of model and PJTS groups A，B，C，G，H，I：positive mode；D，E，F，J，K，L：negative mode

2.4 代謝輪廓分析

采用PCA 模型進行代謝輪廓分析，如圖3A、D、G、J 所示，3 組各自聚為一類且完全分離，所有樣本均處于95%置信區間內。對照組和模型組分別位于得分圖兩側，提示造模較為成功。竹節參總皂苷位于對照組和模型組之間，且有向對照組靠近的趨勢，表明竹節參總皂苷改善脂質代謝作用顯著。

2.5 差異代謝物篩選與鑒定

為更好地獲取組間差異信息、篩選差異代謝物，在PCA分析的基礎上進行OPLS-DA分析，部分結果見圖3B、E、H、K。所有模型的R2Y（cum）≥0.992、Q2（cum）≥0.971，表現出良好的擬合度和預測能力。200 次置換檢驗結果（圖3C、F、I、L）顯示，所有模型R2的截距≤0.713、Q2的截距≤-0.416，表明模型未過擬合，然后輸出各變量的VIP值。根據峰面積差異變化倍數（Fold）和t檢驗P值構建火山圖（圖4），篩選出Fold≥1.50或≤0.67、P＜0.05的代謝物，結合VIP≥1.0確定差異代謝物。基于保留時間、精確分子量、二級碎片鑒定差異代謝物，結果見表1 和表2。從極性部位鑒定出34 個差異代謝物，主要為脂肪酸、氨基酸類成分；從非極性部位鑒定出28 個差異代謝物，主要為磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺、神經酰胺。為了直觀比較上述差異代謝物在各組中的變化，將其相對峰面積轉化為可視化熱圖，并進行聚類分析。結果見圖5，紅色代表高濃度，藍色代表低濃度，竹節參總皂苷顯著恢復HepG2 細胞脂質沉積模型中紊亂代謝物的水平，且有向對照組水平接近的趨勢。聚類分析顯示，極性部分代謝物（圖5A）被劃分為兩大類群，分別包含14 種和20 種代謝物；非極性部分代謝物（圖5B）被劃分為三大類群，分別包含3、17、8種代謝物。每個類群中的代謝物在對照組、模型組、竹節參總皂苷組中的變化趨勢基本一致，表明篩選出的代謝物具有代表性。

表1 極性部位中鑒定的差異代謝物信息Table 1 Specific informations of biomarkers in polar fraction

表2 非極性部位中鑒定的差異代謝物信息Table 2 Specific informations of biomarkers in nonpolar fraction

圖4 極性（A、B、C、D）和非極性（E、F、G、H）部位代謝物的火山圖Fig.4 Volcano plots for metabolites in polar（A，B，C，D） and nonpolar（E，F，G，H） fractions

圖5 極性（A）和非極性（B）部位中差異代謝物相對峰面積的熱圖及聚類分析Fig.5 Heatmap and cluster analysis of the metabolites in polar（A） and nonpolar（B） fractions

2.6 代謝通路分析

采用MetaboAnalyst 進行通路富集分析，以通路影響值＞0.1 作為目標。結果表明，竹節參總皂苷改善HepG2細胞脂質沉積模型脂質代謝的作用與調節鞘脂代謝、甘油磷脂代謝、不飽和脂肪酸合成密切相關。

鞘脂是鞘氨醇的衍生物，主要分為鞘磷脂和鞘糖脂。鞘脂代謝是肝臟細胞內重要的脂質代謝途徑，其代謝異常與多種慢性疾病密切相關［7］。鞘脂作為細胞器和細胞膜的基本組分，在肝臟細胞中的含量和種類豐富，在細胞膜的形成、物質交換、信號傳導等方面發揮著重要作用［7-8］。神經酰胺是鞘脂代謝的中心分子，發揮著第二信使作用，介導了細胞凋亡、炎癥反應和胰島素抵抗等，參與肝臟脂質代謝的多個環節［9-10］。神經酰胺也是肝臟脂質代謝異常相關疾病的重要介導因素［11］。鞘磷脂是神經酰胺頭部連接一個磷酸膽堿的代謝產物，在維持肝臟脂質代謝，尤其是神經酰胺代謝平衡中發揮著重要作用。本研究中植物鞘氨醇、SM（d18∶0/16∶0）、Cer（d18∶1/18∶0）在模型組中的水平顯著升高，SM（d17∶1/16∶1）、Cer（d18∶0/26∶0）的水平顯著降低，在竹節參總皂苷干預后均有恢復至正常水平的趨勢（表2和圖5），其中Cer（d18∶1/18∶0）的變化趨勢與文獻［12］報道一致，提示竹節參總皂苷改善HepG2細胞脂質沉積模型脂質代謝的作用與調節鞘脂代謝密切相關。

甘油磷脂是細胞膜不可缺少的組成構架，也是細胞進行物質交換的通道，在調節細胞功能、維持脂質代謝平衡中扮演著重要角色［13］。本研究中篩選的甘油磷脂類代謝物主要為磷脂酰膽堿和磷脂酰乙醇胺。磷脂酰膽堿是機體內最豐富的甘油磷脂，其特性由所含的脂肪酸種類決定，在細胞膜中起保護層作用，同時也與鞘磷脂一起形成了不同大小、密度的脂蛋白，對膽固醇的代謝和轉運起重要作用［14］。本研究中模型組PC（18∶3-OH/2∶0）、PC（17∶2/0∶0）、PC（22∶6/18∶2）、PC（20∶4/15∶0）、PC（22∶6-2OH/15∶0）的水平顯著上調，PC（14∶0/14∶0）和PC（16∶1/14∶0）的水平顯著下調，除PC（14∶0/14∶0）、PC（16∶1/14∶0）外，其余5 個在竹節參總皂苷干預后均有恢復至正常水平的趨勢（表2 和圖5）。分析上述磷脂酰膽堿的結構發現，在模型組中顯著上調的磷脂酰膽堿均含多不飽和脂肪酸側鏈，對細胞脂質代謝具有較好的保護作用，推測可能是HepG2 細胞為了應對脂質沉積損傷的自身調節結果。溶血磷脂酰膽堿和溶血磷脂酰乙醇胺與細胞炎癥過程和免疫反應密切相關，同時還會誘導細胞凋亡［15-16］。本研究中模型組LysoPC（18∶2/0∶0）、LysoPE（18∶2/0∶0）、LysoPE（20∶5/0∶0）的水平顯著上調，在竹節參總皂苷干預后均有恢復至正常水平的趨勢，推測竹節參總皂苷在調節HepG2細胞脂質沉積模型脂質代謝的同時還能改善其炎癥反應。

本研究還篩選到11個不飽和脂肪酸、5個飽和脂肪酸（表1和2）。除十五碳二烯酸、硬脂酸、二十烷酸外，其余13個脂肪酸在模型組中的水平顯著上調，在竹節參總皂苷干預后均有恢復至正常水平的趨勢（表1和2、圖5）。模型組中16個脂肪酸的總含量較對照組顯著升高，在竹節參總皂苷干預后顯著降低。脂肪酸整體代謝水平升高是油酸和棕櫚酸誘導的HepG2細胞脂質沉積模型的重要特點，提示下調脂肪酸代謝水平可能是竹節參總皂苷調節HepG2 細胞脂質代謝的重要途徑。前列腺素A2、白三烯A4 是花生四烯酸的重要代謝產物，是重要的炎癥反應介質。本研究中模型組前列腺素A2、白三烯A4的水平顯著升高（表1），提示HepG2 細胞脂質沉積模型存在炎癥反應，且在竹節參總皂苷干預后均有恢復至正常水平的趨勢，再次確認竹節參總皂苷能夠改善HepG2細胞脂質沉積模型的炎癥反應。

3 結 論

本研究首次基于UPLC-Q/TOF MS結合細胞代謝組學技術探討了竹節參總皂苷對HepG2細胞脂質沉積模型脂質代謝的改善作用，發現竹節參總皂苷可顯著改善HepG2細胞的脂質代謝，并篩選了62個潛在生物標志物，主要為脂肪酸和磷脂酰膽堿類成分，可能與調控鞘脂代謝、甘油磷脂代謝、脂肪酸代謝、炎癥反應密切相關。所得結果為后期深入研究HepG2細胞脂質沉積模型的代謝輪廓及竹節參總皂苷的降脂作用提供了參考。