丁 越,徐曉宇,王亞非,高巖磊,沈明浩,*
(1.吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院,吉林長春 130000;2.通標標準技術服務有限公司大連分公司,遼寧大連 116601)
環(huán)磷酰胺作為抗腫瘤藥物,已在抗癌化療中得到了廣泛應用。此外,環(huán)磷酰胺也可以作為免疫抑制劑,治療機體免疫疾病。但這類化療藥物在殺死腫瘤細胞的同時具有細胞毒性作用,可以使男性睪丸生精能力受到不同程度的損害甚至導致不育[1],目前認為,環(huán)磷酰胺導致睪丸受損傷的主要機制是由于患者睪丸氧化與抗氧化平衡被破壞,過氧化物質(zhì)損傷睪丸細胞、DNA,損傷導致的生殖功能受損[2?4]。對于環(huán)磷酰胺對生殖系統(tǒng)的損傷引起了大家的廣泛關注。尋找天然植物中安全無副作用的活性成分來預防和改善由藥物導致的生殖系統(tǒng)損傷已成為了當前的研究熱點。
淫羊藿(Epimedium),多年生宿根性草本植物,在我國有多年的藥用歷史。近年來研究表明淫羊藿中存在多種活性物質(zhì)[5?6],具有抗氧化、鎮(zhèn)靜、增強免功能、保護生殖系統(tǒng)等生理活性[7?11],而國家衛(wèi)生部將淫羊藿作為補益藥物以來,淫羊藿在保健品中得到了廣泛的應用,現(xiàn)已開發(fā)出了淫羊藿復合膠囊、勁酒等。淫羊藿主要的生理活性之一是對生殖系統(tǒng)的保護作用。已有報道,淫羊藿提取物可以提升精子的能量代謝水平、提高受損傷小鼠精子質(zhì)量、精子密度和精子活率、改善受損傷小鼠睪丸組織的病變[12?14]。研究表明,多種生物堿類物質(zhì)已被證實可以有效保護藥物導致的小鼠生殖系統(tǒng)損傷[13,15],但由于部分生物堿具有較強生物毒性,沒有得到廣泛應用。近年來對淫羊藿生物堿保護生殖系統(tǒng)作用的研究還處于空白階段。尤其是對環(huán)磷酰胺所致小鼠生殖系統(tǒng)損傷的保護機制的研究還未見報道。
本研究在探討淫羊藿生物堿是否具有生殖毒性的基礎上,深入研究淫羊藿生物堿對環(huán)磷酰胺所致小鼠生殖系統(tǒng)損傷的保護機制。此研究為探索淫羊藿資源新的生理活性提供了科學思路。
選取SPF 級雄性昆明種8 周齡小鼠80 只(體質(zhì)量 18~20 g) 遼寧長生生物技術有限公司(許可證號SCXK(遼)2020-0001);淫羊藿葉 采摘于吉林省通化地區(qū),經(jīng)吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院李大軍教授鑒定為朝鮮淫羊藿;環(huán)磷酰胺 上海萌椏生物科技有限公司;伊紅 天津市光復化工研究所;超氧化物歧化酶(SOD)、丙二醛(MDA)、睪酮、蛋白定量試劑盒 南京建成生物工程研究所。
XPR-205 電子分析天平 梅特勒-超越系列;HWS-1200CO2培養(yǎng)箱 南京天翔公司;FB-1B-80凍干機 上海爭巧科學儀器有限公司;FW-1200 電泳儀、電泳槽 北京六一儀器廠;Varioskan-LUX 全自動酶標儀、KN-01 多功能凝膠成像分析儀 康恒儀器有限公司;KL-01A 離心機 江蘇凱達公司;VK-X 光學顯微鏡 基恩士公司。
1.2.1 淫羊藿生物堿的制備 參照張龍[2]對淫羊藿生物堿的提取的方法,并在此基礎上結合超聲法對提取條件進行優(yōu)化。準確稱取10.0 g 淫羊藿葉粉末,然后加入 300 mL pH=1 的體積分數(shù)90%的乙醇溶液浸泡20 min,抽濾獲得濾液,然后于超聲清洗儀器在超聲功率為200 W,溫度40 ℃,提取40 min,抽濾,棄濾渣合并濾液,濾液減壓回收乙醇得到酸水液10 mL,重復3 次,取酸水層加入100 mL 10%的NaOH調(diào)節(jié)pH 至10~11,分裝于50 mL離心管中,在 5 ℃,6000 r/min 的條件下離心10 min 得沉淀,用10%NaOH的溶液洗滌并離心三次,棄上清液,加入pH1 的90%酸性乙醇溶液20 mL,超聲溶解后經(jīng)氯仿萃取后抽濾得上清液。冷凍干燥,得粗生物堿,提取得到生物堿得率為9.72%,用三氯甲烷硅膠柱層析法純化后[16],純度為71.52%,以此條件制得的生物堿用于后續(xù)研究。
1.2.2 動物分組及給藥 首先取40 只SPF 級昆明種雄性小鼠(動物飼養(yǎng)溫度22 ~25 ℃、濕度50%~60%,光照/黑各12 h),根據(jù)韋賢等[13]實驗方法確定小鼠給藥劑量和分組情況。小鼠分為空白組、淫羊藿生物堿低(50 mg/kg)、中(100 mg/kg)、高(200 mg/kg)劑量組,每組10 只;再取40 只昆明種雄性小鼠,分為環(huán)磷酰胺組(40 mg/kg)、環(huán)磷酰胺-生物堿低、中、高劑量組,每組10 只。處理方法如下:空白組(與之前分組共用一組空白組)、淫羊藿生物堿低、中、高劑量組連續(xù)5 d 注射生理鹽水,末次注射24 h 后,生物堿低、中、高劑量組進行灌胃給藥30 d,空白組灌胃同等體積生理鹽水。環(huán)磷酰胺組與環(huán)磷酰胺-生物堿低、中、高劑量組連續(xù)5 d 注射環(huán)磷酰胺。末次注射24 h 后,環(huán)磷酰胺-生物堿低、中、高劑量組灌胃給藥生物堿30 d,環(huán)磷酰胺組灌胃同等體積生理鹽水。
1.2.3 小鼠體重、睪丸和附睪系數(shù)的測定 實驗期間,每周對各組小鼠稱重記錄。第30 d,處死各組小鼠,分離附睪和睪丸并稱重,計算其睪丸、附睪系數(shù)。
1.2.4 小鼠精子質(zhì)量的測定
1.2.4.1 小鼠精子密度的測定 取小鼠雙側附睪,放入培養(yǎng)皿中,加入 2 mL 0.9%生理鹽水,在培養(yǎng)皿中挑破附睪并輕輕擠壓,使精子游離在生理鹽水中。將附睪取出丟棄。將培養(yǎng)皿置于37 ℃的培養(yǎng)箱中孵育5 min 制成精子懸液,用移液槍取20 μL 精子懸液滴于血細胞計數(shù)板上,在光學顯微鏡下觀察并用白細胞計數(shù)法進行精子計數(shù)[16](精子密度)。
1.2.4.2 小鼠精子活力的測定 取1.2.4.1 的精子懸液20 μL 滴于血細胞計數(shù)板上。在光學顯微鏡下觀察200 個精子,計算小鼠精子活力。精子活力可分為4 個等級:1 級:精子快速直線運動。2 級:精子波浪性或慢速直線運動。3 級:精子運動方向不明確,呈徘徊或轉圈運動。4 級:精子沒有運動狀態(tài)。通過各級精子的數(shù)量考察精子活力[13]。
1.2.4.3 小鼠精子存活率的測定 取1.2.4.1 的精子懸液20 μL,滴于載玻片上,推片使其均勻,置于甲醇染缸中固定5 min,取出晾干后,放入含有2.5%伊紅的染缸中進行染色10 min,染色完畢后,染色劑沖洗干凈后晾干置于光學顯微鏡下觀察精子著色情況。染為紅色的精子為死亡精子,不著色的精子為活精子。隨機選取載玻片的一個區(qū)域,計算500 個精子的存活率。
1.2.4.4 小鼠精子畸形率的測定 用1.2.4.3 的方法重新制片染色觀察500 個精子,記錄畸形精子的數(shù)量計算小鼠精子畸形率。其中無頭、無尾、雙頭、雙尾、香蕉型、無定型精子記為畸形精子。
1.2.5 小鼠睪丸組織中SOD 活力和MDA 含量的測定 取各組小鼠睪丸,研磨成10%的組織勻漿。倒入10 mL 的EP 管中,在4 ℃ 3000 r/min 的離心機中離心10 min,取上清。根據(jù)試劑盒說明測定小鼠睪丸組織中SOD 活力和MDA 含量。
1.2.6 小鼠血清中睪酮的測定 對各組小鼠進行眼球取血放入2 mL 的EP 管中。在4 ℃ 3000 r/min的離心機中離心10 min,取上清。根據(jù)試劑盒說明測定小鼠血清中睪酮含量。
1.2.7 小鼠睪丸組織中Bax 和Bcl-2 蛋白表達的檢測 取睪丸組織,按照1:5 的體積加入RIPA 裂解液,使用組織研磨儀將睪丸研碎并置于冰上繼續(xù)裂解30 min,于4 ℃ 5000 r/min 離心10 min,取其上清,參照Braford 法[17]檢測睪丸中Bax 和Bcl-2 的蛋白濃度。上清液按照1:5 的比例加入緩沖液,在沸水浴中煮10 min 使蛋白變性。每個孔加入20 μL蛋白質(zhì),進行SDS-PAGE 電泳。電泳結束后使用多功能凝膠成像分析儀進行成像。
1.2.8 小鼠睪丸組織病理學觀察 取小鼠單側睪丸,制作石蠟切片,HE 染色后在光學顯微鏡下觀察小鼠睪丸組織病理變化。
各項數(shù)據(jù)均采用SPSS17.0 軟件進行統(tǒng)計分析,各組數(shù)據(jù)均以±SD(平均值±標準差)表示,多組數(shù)據(jù)進行比較分析時均采用單因素方差分析。
實驗期間小鼠生長狀態(tài)良好。體重變化情況見表1,與空白組小鼠比較,生物堿低、中、高劑量組連續(xù)灌胃后,各組小鼠體重變化不顯著(P>0.05),說明淫羊藿生物堿對小鼠體重沒有影響。而環(huán)磷酰胺組小鼠體重極顯著下降(P<0.01)。與環(huán)磷酰胺組比較,環(huán)磷酰胺-生物堿低、中、高劑量小鼠體重均維持在正常水平,其中環(huán)磷酰胺-生物堿低劑量組與環(huán)磷酰胺組比較,體重顯著變化(P<0.05),環(huán)磷酰胺-生物堿中、高劑量組體重變化極顯著(P<0.01)。說明淫羊藿生物堿可以有效緩解由環(huán)磷酰胺導致的小鼠體重下降。
表1 淫羊藿生物堿對環(huán)磷酰胺生殖系統(tǒng)損傷小鼠體重的影響(g)Table 1 Effects of Epimedium alkaloids on weight of male mice with reproductive system injury induced by cyclophosphamide(g)
睪丸、附睪系數(shù)數(shù)變化情況見表2,與空白組小鼠比較,淫羊藿生物堿連續(xù)灌胃30 d 的小鼠睪丸系數(shù)和附睪系數(shù)沒有顯著變化(P>0.05),說明淫羊藿生物堿對小鼠睪丸和附睪的系數(shù)沒有影響。而環(huán)磷酰胺組小鼠睪丸系數(shù)和附睪系數(shù)相比于空白組小鼠變化有極顯著性差異(P<0.01),小鼠睪丸系數(shù)下降了26.9%,小鼠附睪系數(shù)下降了25.8%。與環(huán)磷酰胺組小鼠比較,環(huán)磷酰胺-生物堿低劑量組小鼠連續(xù)灌胃30 d 后,睪丸和附睪系數(shù)均有顯著提高(P<0.05),分別提高15.1%和3.2%。環(huán)磷酰胺-生物堿中、高劑量組小鼠連續(xù)灌胃30 d 后,睪丸和附睪系數(shù)均有顯著提高(P<0.05)。睪丸系數(shù)分別提高了28.5%、35.0%。附睪系數(shù)分別提高了14.7%、25.8%。
表2 淫羊藿生物堿對環(huán)磷酰胺生殖系統(tǒng)損傷小鼠睪丸、附睪系數(shù)的影響(%)Table 2 Effects of Epimedium alkaloids on testicular and epididymis coefficient of male mice with reproductive system injury induced by cyclophosphamide(%)
小鼠精子質(zhì)量變化情況見表3,與空白組小鼠比較,淫羊藿低、中、高劑量組灌胃后,小鼠精子密度、精子活力、精子存活率、精子畸形率的變化并沒有顯著性差異(P>0.05),說明淫羊藿生物堿對小鼠精子沒有造成損傷。小鼠注射環(huán)磷酰胺后,小鼠精子密度、精子活力、精子存活率分別極顯著下降了59.8%、31.5%、45.9%(P<0.01),精子畸形率極顯著升高了905%(P<0.01)。與環(huán)磷酰胺組小鼠比較,環(huán)磷酰胺-生物堿低劑量組灌胃后,小鼠精子密度、精子活力、精子存活率分別提高了33.8%、15.4%、26.0%,精子畸形率下降了60.9%(P<0.05),而環(huán)磷酰胺-生物堿中、高劑量組灌胃后,小鼠精子密度、精子活力、精子存活率、精子畸形率的變化有極顯著性差異(P<0.01)。小鼠精子密度分別提高了59.0%、84.2%,小鼠精子活力分別提高24.6%、37.6%,精子存活率分別提高了34.7%、53.8%,而精子畸形率分別降低了68.4%、71.7%。
表3 淫羊藿生物堿對環(huán)磷酰胺生殖系統(tǒng)損傷小鼠精子質(zhì)量的影響Table 3 Effects of Epimedium alkaloid on sperm quality of male mice with reproductive system injury induced by cyclophosphamide
SOD 變化情況由圖1 可知,與空白組比較,淫羊藿生物堿低、中、高劑量組灌胃30 d 后,小鼠睪丸組織中SOD 的活性變化沒有顯著性差異(P>0.05),說明淫羊藿生物堿不會影響小鼠SOD 的活性。小鼠注射環(huán)磷酰胺后睪丸組織中SOD 的活性極顯著下降40.6%(P<0.01)。與環(huán)磷酰胺組小鼠比較,環(huán)磷酰胺-生物堿低、中、高組小鼠連續(xù)灌胃30 d 后,環(huán)磷酰胺-生物堿低劑量組SOD 的活性顯著提高12.6%(P<0.05),環(huán)磷酰胺-生物堿中、高劑量組小鼠睪丸組織中SOD 的活性極顯著提高26.1%、35.4%(P<0.01)。
圖1 淫羊藿生物堿對環(huán)磷酰胺生殖系統(tǒng)損傷小鼠睪丸組織中SOD 活力的影響Fig.1 Effect of Epimedium alkaloid on SOD activity in testis of male mice with reproductive system injury induced by cyclophosphamide
由圖2 可知,與空白組比較,淫羊藿生物堿低、中、高劑量組灌胃30 d 后,小鼠睪丸組織中MDA 的含量變化沒有顯著性差異(P>0.05),說明淫羊藿生物堿不會影響小鼠MDA 的含量。與空白組小鼠比較,小鼠注射環(huán)磷酰胺后睪丸組織MDA 的含量極顯著升高了57.6%(P<0.01)。與環(huán)磷酰胺組比較,環(huán)磷酰胺-生物堿低劑量組MDA 的含量顯著下降14.3%(P<0.05)、環(huán)磷酰胺-生物堿中、高組小鼠MDA 的含量極顯著下降29.5%、31.6%(P<0.01)。
圖2 淫羊藿生物堿對環(huán)磷酰胺生殖系統(tǒng)損傷小鼠睪丸組織中MDA 含量的影響Fig.2 Effect of Epimedium alkaloid on MDA activity in testis of male mice with reproductive system injury induced by cyclophosphamide
由圖3 可知,與空白組比較,淫羊藿生物堿低、中、高劑量組灌胃30 d 后,小鼠血清中睪酮的含量變化沒有顯著性差異(P>0.05),說明淫羊藿生物堿不會影響小鼠血清中睪酮的含量。小鼠注射環(huán)磷酰胺后血清中睪酮的含量與空白組比較極顯著降低了60.4%(P<0.01)。與環(huán)磷酰胺組小鼠比較,環(huán)磷酰胺-淫羊藿生物堿低劑量組睪酮含量顯著升高24.6%(P<0.05),環(huán)磷酰胺-生物堿中、高組小鼠灌胃30 d后小鼠血清中睪酮的含量極顯著升高了49.4%、54.4%(P<0.01)。
圖3 淫羊藿生物堿對環(huán)磷酰胺生殖系統(tǒng)損傷小鼠血清中睪酮的影響Fig.3 Effect of Epimedium alkaloid on testosterone in serum of male mice with reproductive system injury induced by cyclophosphamide
由圖4 可知,與空白對照組比較,淫羊藿生物堿低、中、高劑量組Bcl-2/Bax 的比值無顯著差異(P>0.05),說明淫羊藿生物堿不會促進睪丸組織細胞凋亡。與空白對照組比較,環(huán)磷酰胺組Bcl-2/Bax 的比值極顯著下降(P<0.01),該結果說明環(huán)磷酰胺會促進睪丸組織的凋亡,導致生精細胞凋亡。與環(huán)磷酰胺組小鼠相比較,環(huán)磷酰胺-淫羊藿生物堿低劑量組,Bcl-2/Bax 的比值有顯著提高(P<0.05),環(huán)磷酰胺-淫羊藿生物堿中、高劑量組小鼠Bcl-2/Bax 的比值有極顯著提高(P<0.01)。
圖4 淫羊藿生物堿對環(huán)磷酰胺生殖系統(tǒng)損傷小鼠睪丸組織中Bax 和Bcl-2 蛋白表達的影響Fig.4 Effect of Epimedium alkaloid on expression of Bax and Bcl-2 proteins in testicular tissue of male mice with reproductive system injury induced by cyclophosphamide
通過對小鼠睪丸組織切片觀察,空白組小鼠睪丸組織中生精細胞排列整齊數(shù)量眾多,并且形態(tài)完整,睪丸間質(zhì)細胞管腔內(nèi)充滿眾多的新生精子(圖5A)。小鼠連續(xù)灌胃淫羊藿生物堿低、中、高劑量30 d 后,睪丸組織形態(tài)與空白組相似,無明顯病理學變化(圖5B、C、D)。通過切片觀察,環(huán)磷酰胺組小鼠睪丸組織中生精細胞數(shù)量減少,管腔內(nèi)幾乎沒有新生精子,睪丸組織受到嚴重損傷(圖5E)。與環(huán)磷酰胺組小鼠比較,環(huán)磷酰胺-生物堿低劑量組的小鼠睪丸組織中生精細胞和管腔內(nèi)新生精子的數(shù)量有所增加(圖5F)。環(huán)磷酰胺-生物堿中劑量組的小鼠生精細胞數(shù)量更多,管腔內(nèi)新生精子的數(shù)量也有少量增加,睪丸間質(zhì)細胞的數(shù)量也有明顯增加(圖5G)。環(huán)磷酰胺-生物堿高劑量組小鼠睪丸組織中間質(zhì)細胞更加完整,生精細胞與管腔內(nèi)新生精子數(shù)量也明顯增加(圖5H)。
圖5 小鼠睪丸形態(tài)學分析Fig.5 Morphological analysis of mouse testis
生殖系統(tǒng)對化學毒物的作用十分敏感,在其他系統(tǒng)還未出現(xiàn)毒性反應之前,生殖系統(tǒng)可能已受損害[18]。環(huán)磷酰胺能夠損傷小鼠精子質(zhì)量,使精子活力下降,睪丸結構發(fā)生病變[19]。精子質(zhì)量及活力可反映該藥物的生殖毒性和對生殖細胞潛在的致突變性。環(huán)磷酰胺在造成生精損傷的同時,也可破壞睪丸組織內(nèi)氧化與抗氧化的平衡系統(tǒng),降低睪丸組織的抗氧化能力,導致氧自由基及其過氧化物質(zhì)在機體內(nèi)大量累積,從而造成睪丸組織氧化應激損傷。SOD 能清除超氧陰離子自由基,可以保護細胞免受自由基的攻擊,對機體的氧化和抗氧化平衡起著至關重要的作用[10]。MDA 可分解由自由基攻擊機體生物膜而產(chǎn)生的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物,是常用的評定機體氧化損傷的指標[20]。MDA 水平可間接反映機體細胞受自由基攻擊的嚴重程度。因此,聯(lián)合檢測組織中SOD、MDA 含量,能確切地反映組織抗氧化能力和氧化應激損傷程度[17]。
本研究結果表明,淫羊藿生物堿對雄性小鼠的生殖系統(tǒng)無生殖毒性作用。利用環(huán)磷酰胺造模后發(fā)現(xiàn),環(huán)磷酰胺可致睪丸、附睪質(zhì)量減輕、精子密度降低、精子畸形率升高、睪丸組織抗氧化酶SOD 的含量下降,過氧化產(chǎn)物MDA 含量明顯升高,說明環(huán)磷酰胺成功造成小鼠生精損傷及睪丸組織氧化應激損傷,這與潘曉燕等[21]的實驗結果相一致。給予淫羊藿生物堿可使小鼠精子密度、活力和存活率顯著提高(P<0.05)、精子畸形率顯著下降(P<0.05),說明淫羊藿生物堿可以改善模型小鼠的生精損傷,且當給予由環(huán)磷酰胺導致的生殖系統(tǒng)損傷小鼠一定劑量的淫羊藿生物堿后,睪丸組織內(nèi)抗氧化能力明顯升高,組織損傷得到了修復。說明淫羊藿生物堿在一定程度上可通過緩解氧化損傷來保護生殖系統(tǒng),進而對環(huán)磷酰胺引起的雄性生殖系統(tǒng)損傷起到了保護作用。此外,本研究還發(fā)現(xiàn)淫羊藿生物堿可提高小鼠血清中睪酮的含量。在哺乳動物中睪酮的含量與精子的生成密不可分[21?23]。睪酮的合成量直接關系到精子的數(shù)量和質(zhì)量,所以說睪酮含量的高低是保證精液品質(zhì)的重要因素[24?26]。環(huán)磷酰胺注射后小鼠血清睪酮含量降低,而通過淫羊藿生物堿進行灌胃后的小鼠睪酮含量明顯升高,進而提高了雄性小鼠的生殖功能,對生殖系統(tǒng)起到了一定的保護作用[27?28]。最后,考察了生物堿對抑制睪丸組織細胞凋亡的影響。精子凋亡蛋白是判斷精子質(zhì)量的重要指標。Bcl-2 是凋亡抑制蛋白,Bax 是促細胞凋亡蛋白,Bcl-2/Bax 的比值可以反映灌胃淫羊藿生物堿后細胞接收到凋亡信號后是趨向于凋亡或存活情況。環(huán)磷酰胺注射后小鼠睪丸組織中Bcl-2/Bax 的比值降低,淫羊藿生物堿進行灌胃后,Bcl-2/Bax 的比值極顯著升高,促進了Bcl-2 表達,抑制了Bax 表達,睪丸細胞趨于存活狀態(tài),進而緩解了環(huán)磷酰胺對睪丸組織造成的損傷。
綜上所述,淫羊藿生物堿無雄性生殖毒性,且淫羊藿生物堿可通過抗氧化、升高睪酮含量、抑制睪丸組織細胞凋亡等機制,有效保護了由環(huán)磷酰胺導致的雄性小鼠生殖系統(tǒng)的損傷,可作為保護生殖系統(tǒng)的保健品原料進行開發(fā)和推廣。