低氘实验：氘浓度对癌细胞分裂的影响

研究文献 / 2022-09-08 18:52:49

低氘对COX-2基因表达的影响

在过去几年里进行的试验揭示了环氧化酶和环氧化酶合成的前列腺素(PGs)在控制肿瘤生长和转移方面起着重要的作用。

前列腺素在磷脂酶A₂催化的反应中，由花生四烯酸通过环氧化酶作用形成。最新的研究显示环氧化酶有两种异构体：环氧化酶-1（COX-1或 PGH-1）和环氧化酶-2（COX-2或PGH-2）。COX-1存在于细胞膜和内质网中。从化学上来说，COX-1是血红蛋白或酶蛋白性质的分子。几乎每个细胞中都会连续产生COX-1。其主要功能是调节细胞正常运行所需的前列腺素的合成(“看家”功能)。COX-1的数量几乎是恒定的。COX-2不会出现在活性低的细胞中，即使出现数量也很少。受到生长因子、内毒素、细胞因子的诱导，COX-2表达迅速增加（活性增加10~80倍）。在炎症和细胞生长时。这种现象出现在较早的阶段。氨基酸序列达到60%（分子质量高达100%）等同于COX-1的氨基酸序列（70kD）。显然，两种异构体有不同的细胞功能。分裂和其他诱导过程与COX-2的活性和表达有关。一些试验已证明肿瘤合成的前列腺素比正常的细胞组织合成的多。因此，可推测PGs在肿瘤形成、控制肿瘤生长、转移癌的生长中起着重要的作用。这一推测可通过试验证实。在直肠癌、乳腺癌、食管癌、肺癌和口腔癌等病例中，非甾体抗炎药（NSAIDs）对前列腺素合成的抑制致使肿瘤消退。肿瘤细胞中的PG高浓度是合成增加引起的。合成增加主要是COX-2异构体引起的。因为可能的因果关系--COX-2的过度活化一方面和PG的高浓度有关，另一方面与诱发肿瘤和转移有关，因此，COX-2的定向抑制似乎是一个预防癌症的有效方法。

用正常的子宫肌细胞（HMCs）和取自人体直肠的肿瘤细胞株（腺癌 HT-29）进行试验。通过子宫切除术切除的子宫经胶原酶的消化后获得人体子宫肌细胞，在二氧化碳恒温器（5%的CO₂：95%的空气）中用含有10%的胎牛血清（FCS）的RPMI培养基培养两种细胞。细胞几乎填满培养皿的空间时（70%汇合值），取出血清。24小时后，再用低氘水配制的RPMI培养基培养。24小时后，进行MTT（显微培养）分析，确定细胞是否繁殖。

不同氘浓度的培养基中，HT-29人直肠癌和正常子宫肌细胞株的分裂

上图为在不同氘浓度下，两种细胞株的分裂图。数据显示，氘含量降低到20ppm时，能抑制（45%的病例）HT-29细胞的繁殖。此抑制和氘浓度有关。随着氘浓度的增加，抑制程度连续降低，在氘浓度为60ppm时，接近正常氘浓度（150ppm）时测得的值。在正常浓度以上的范围时（500ppm，1000ppm），细胞分裂又受到抑制。数据还显示氘浓度对非肿瘤子宫肌细胞的影响很小。以上实验也进一步证实了我们先前的结论，即低氘对健康的细胞影响极小。

不同氘浓度的培养基中，HT-29人结肠癌细胞系COX-2基因的表达情况

上图证明了COX-2基因表达和氘浓度之间的关系。根据Western blot分析法（一种蛋白分析法），我们测得了细胞中的COX-2的含量，详细情况如上述。化验表明低氘水（20~60ppm）强烈抑制HT-29直肠癌细胞株的COX-2基因表达。和细胞繁殖试验的结论类似，抑制作用也证明取决于氘的浓度。

低氘水对经细胞因子1(IL-1)刺激的子宫肌细胞系COX-2基因表达的影响

上图证明了在人子宫肌细胞株中，低氘水（超轻水）对普通细胞和用细胞因子（IL-1）刺激的细胞中COX-2基因表达的影响。由于低氘水（超轻水）的影响，表达在未受刺激的普通细胞中也被抑制，但是低氘的抑制效果在白细胞介素刺激的细胞上尤其明显。此结果证实了我们之前的结论，即低氘水（超轻水）抑制COX-2的基因表达。

以上结果说明氘浓度的降低影响COX-2的基因表达和PG在细胞内的活性。低氘严重抑制细胞内PG的合成：普通水中PGI₂的水平是242.9ng/ml，在20ppm的低氘水中水平为76ng/ml。

这些发现证实了早期检验细胞凋亡时获得的结论。我们推测低氘引起细胞凋亡的增加是通过COX-2基因表达的抑制和PG形成实现的。

低氘和氢离子的细胞调控

如果一些分子或元素的浓度变化能够被细胞感知，即可发挥细胞内的调节作用，引发或终止特殊的细胞内代谢过程。可以推测，在氘的调节作用背后存在细胞内D/H比发生变化。考虑到我们对有关氘分辨过程的了解，我们假设细胞的pH调节，以及细胞膜内发生的过程可能与细胞内的D/H比的变化相关。因此，我们对氘浓度的下降是否会影响这些过程进行了检验。

我们的实验在A4鼠造血细胞系进行，细胞内的pH人工调节到酸性，然后检验了pH如何在正常培养基和低氘培养基中达到稳定。这些试验证实了在低氘培养基中，细胞内的pH回到正常值比正常氘含量细胞要慢得多。还有很明显的一点是，在该过程中，阿米洛利敏感性Na﹢/H﹢反向运转系统发挥着关键的作用。该观察指出酶和其他生物过程，在信号传导和pH调控等环节中，可能对氘浓度的变化较为敏感，其活性和功能可能会受氘浓度的影响。

低氘对植物细胞的影响。我们用加拿大海藻（Elodea canadensis）叶片进行了实验。将叶片放入低氘介质中观察几种生物学效应。测量呼吸作用、光合作用、细胞膜变化和细胞内pH的变化。观察的结果是：在前半个小时，植物表现出像被放置在黑暗中一样，其呼吸变得更快，光合作用停止，且细胞内的pH变为碱性，然而，细胞外的pH更接近酸性。经处理后，这些作用最多维持30分钟;反应随后逐渐停止。根据所有上述内容，我们总结出：如果介质的氘浓度下降，则植物会察觉并抑制生长，一段时间后，细胞适应环境改变，抑制作用逐渐消除。所有这些使我们认识到，植物和动物细胞内存在能够感知氘浓度变化的机制。这会导致生长的抑制现象，该抑制作用反过来会有助于细胞的适应过程。考虑在低氘含量的介质中肿瘤细胞的高度敏感性，我们可以假设在肿瘤细胞中，该适应过程较为缓慢或完全不发生，从而导致细胞坏死。