项目文章 | 中国热科院南亚所张秀梅、杜丽清运用代谢组学探索神秘果提取物的抗血管生成和抗癌活性

2022-11-16 09:08:57, 多层组学定制服务 上海欧易生物医学科技有限公司




前言


2022年8月,中国热带农业科学院南亚热带作物研究所张秀梅杜丽清研究团队(一作:马飞跃)Frontiers in Nutrition期刊发表的题为 “Identification of phenolics from miracle berry (Synsepalum dulcificum) leaf extract and its antiangiogenesis and anticancer activities ”(IF:6.590)的研究成果,本研究在神秘果酚类成分鉴定与功能活性研究方面取得新进展,运用液质联用技术鉴定了神秘果叶中的主要酚类物质,尤其是槲皮素和杨梅素衍生物,通过GC-MS代谢组学研究方法分析确定了新的潜在乳腺癌血清生物标志物。该研究结果表明神秘果叶提取物具有开发成为抗乳腺癌药物的潜力。



中文标题:神秘果叶提取物中酚类物质的鉴定及其抗血管生成和抗癌活性

研究对象:神秘果叶、斑马鱼模型、移植小鼠模型

发表期刊:Frontiers in Nutrition

影响因子:6.590

发表时间:2022年8月

合作单位:中国热带农业科学院南亚热带作物研究所

运用组学技术:GC-MS代谢组学(由鹿明生物提供技术支持)


研究背景


神秘果(Synsepalum dulcificum)属于神秘果属,因其富含神秘果素,可将酸味物质转化为甜味感受而闻名。神秘果中除蛋白质、脂质、纤维、碳水化合物、维生素等营养成分外,还含有生物碱、皂甙、黄酮、多酚、强心甙、蒽醌等多种化学成分。已有研究表明这些酚类抗氧化剂通过抑制慢性疾病(如心血管疾病、肥胖症和糖尿病)而具有健康有益功能。


天然产物是抗癌药物和新药先导化合物的重要来源,但药物诱导通常伴随毒性和耐药性,治疗效果有限。因此,迫切需要发现和开发新的癌症治疗药物。癌细胞增殖主要依靠周围血管获取氧气和营养物质,肿瘤转移与血管生成密不可分。然而,关于阐明神秘果提取物在体内的抗血管生成和抗癌活性的报道有限。


因此,本研究旨在通过斑马鱼模型和MCF-7异种移植小鼠模型评价神奇果叶(MBL)的抗癌活性。本研究采用液相色谱-质谱联用技术对MBL中的主要酚类物质进行鉴定和定量。在此基础上,用具有荧光血管的转基因斑马鱼胚胎来评价MBL抗血管生成的能力。此外,作者还建立了MCF-7异种移植小鼠模型,以识别潜在的乳腺癌血清生物标志物,并通过代谢组学方法探讨MBL提取物的抗癌机制。


研究思路



研究结果


1.MBL提取物中的酚类物质

作者从神秘果叶提取物中发现了18种不同的酚类植物化学物质(图1)。其中3- op -香豆酰奎宁酸、杨梅素-3- o -鼠李糖苷、槲皮素-3- d -半乳糖苷和槲皮素-3-鼠李糖苷为主要酚类成分。果肉中仅发现12种酚类物质,主要为表儿茶素和茉莉黄素半乳糖苷。研究表明,MBL中发现的酚类物质与健康益处有关。例如,槲皮素衍生物具有抗氧化、抗癌和神经保护治疗潜力。


图1 | 神秘果叶提取物中酚类物质的色谱、紫外、质谱分析数据


2.神秘果叶提取物的毒性及抗血管生成活性

图2A显示,在提取物浓度为25 g/mL时,斑马鱼的死亡率为0%,实验确定提取物对斑马鱼的LC50(致死剂量为50%)为100 g/mL。如图2B、C所示,对照组siv发育正常,siv形成完整的网状结构。但所有治疗组均观察到SIV异常发展(图2C)。在10 g/mL MBL提取物组,对SIV形成的抑制率为50.05%,在提取物浓度为25和50 g/mL时分别提高到62.78%和79.21%(图2B)结果表明,MBL提取物对斑马鱼血管生成有明显的抑制作用。


图2 | 斑马鱼胚胎的死亡率


3.神秘果叶对MCF-7移植瘤小鼠肿瘤生长的影响

将MCF-7细胞皮下注射到雌性裸鼠肩部建立MCF-7异种移植小鼠。经PTX、LSD和HSD处理后,MCF-7移植瘤小鼠在14 d内测量肿瘤大小。如图3A所示,治疗3 d后,PTX、LSD和HSD组肿瘤体积均小于NT组。PTX组在治疗5 d后肿瘤体积最小,而LSD组和HSD组在治疗9 d后肿瘤体积有明显差异。治疗14 d后,平均肿瘤体积明显降低(图3B)结果表明,MBL提取物显著抑制MCF-7移植瘤小鼠的肿瘤生长,且呈剂量依赖性。


图3 | PTX和MBL提取物对MCF-7肿瘤生长的影响


4.肿瘤细胞凋亡的影响

为了检验PTX和MBL提取物对肿瘤生长的抑制作用,采用流式细胞术检测不同组肿瘤细胞的凋亡情况。如图4A所示,FCM显示,凋亡细胞(包括早期和晚期凋亡)百分比以PTX组最高,其次与NT组比较,HSD组和LSD组均显著升高(图4B)这表明,PTX和MBL提取物处理可促进MCF-7移植瘤小鼠肿瘤细胞凋亡。


图4 | 流式细胞术检测PTX和MBL提取物诱导的肿瘤细胞凋亡


5.PTX、LSD和HSD处理的MCF-7异种移植小鼠的代谢物变化

PCA结果显示治疗组和NT组之间有明显的区分(图5A)。OPLSDA与治疗组、NT组比较,70、101、96例分别在PTX、LSD和HSD中发现显著差异。与NT组相比,治疗组有30种代谢物普遍发生变化(图6A)。其中,半胱氨酸-甘氨酸和诺缬氨酸在各治疗组中上调最高,抗坏血酸和d-红鞘氨醇是各治疗组中下调幅度最大的两种代谢物。同时,作者进行KEGG富集分析,以确定各治疗组代谢途径的变化。与NT组相比,PTX、LSD和HSD组富集的代谢途径如图6B所示,各处理组不饱和脂肪酸的生物合成和嘌呤代谢均有所增加。与NT组相比,治疗组不同的代谢途径表明PTX和MBL提取物具有不同的作用机制。MBL的作用机制可能与药物浓度有关。


图5 | MCF-7异种移植小鼠血清的代谢组学分析

图6 | PTX、LSD和HSD处理MCF-7异种移植小鼠的代谢组学分析


6.PTX, LSD和HSD共同调节的代谢途径处理MCF-7异种移植小鼠

与NT组相比,所有治疗组的不饱和脂肪酸生物合成和嘌呤代谢途径都显著,作者将重点放在这些代谢途径上进一步分析。虽然不明显,但与NC组相比,NT组血液中n-6家族饱和脂肪酸,包括棕榈酸和硬脂酸的水平下调(图7A)。而与NT组相比,PTX组和LSD组的棕榈酸和硬脂酸水平明显上调。油酸被归类为单不饱和脂肪酸,与NT组相比,所有三个治疗组的油酸都升高了。亚油酸、花生四烯酸等n-6家族多不饱和脂肪酸的含量变化与n-6家族饱和脂肪酸的含量变化相似。


总之,在MCF-7异种移植小鼠中,n-6家族脂肪酸的生物合成受到抑制,但在PTX和LSD处理组中,n-6家族脂肪酸的生物合成被进一步激活。而在MCF-7异种移植小鼠和所有处理组中,n-9和n-10家族脂肪酸合成受到抑制,尤其是MBL提取物处理组。


如图7B所示,单磷酸肌苷(IMP)转化为肌苷,肌苷可与次黄嘌呤相互转化。次黄嘌呤也可通过次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶转化为IMP。研究结果首次表明,MBL提取物在MCF-7异种移植小鼠体内积累了黄嘌呤,这可能是监测药物疗效的生物标志物。


图7 | PTX和MBL提取物共同调节的代谢途径处理MCF-7异种移植小鼠


研究结论


研究发现,神秘果叶中含有丰富的酚类植物化学物质,尤其是槲皮素和杨梅素衍生物。通过对斑马鱼血管生成的抑制活性,证实了提取物抗肿瘤发展的潜力。代谢组学技术发现了新的潜在的乳腺癌血清生物标志物。通径分析表明,MBL提取物中不饱和脂肪酸的增加和黄嘌呤的积累可能有利于抑制肿瘤生长。本研究表明,MBL提取物有潜力成为一种抗乳腺癌药物。



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文章采用代谢组学对神秘果叶(MBL)的次生代谢产物进行了鉴定,并分别采用斑马鱼模型和MCF-7异种移植小鼠模型评价了其抗血管生成和抗癌活性。表明了MBL提取物可以作为一种天然的抗癌佐剂应用于功能食品领域。


中国热科院南亚所马飞跃助理研究员为第一作者,张秀梅研究员和杜丽清研究员为该论文共同通讯作者。该研究主要在农业农村部热带果树生物学重点实验室完成,得到了中央级公益性科研院所基本业务费、海南省自然科学基金、广东省现代农业产业体系优稀水果创新团队等科研项目的资助。其中代谢组学由鹿明生物提供技术支持。


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原文链接:

DOI: 10.3389/fnut.2022.970019


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