鄰苯二甲酸單丁酯通過Caspase-3/GSDME 通路誘導睪丸間質細胞焦亡

閆鳳梅， 李 玲， 郝 羽， 黃 靜， 撒開清， 王 碩

（1.寧夏醫科大學公共衛生學院職業衛生與環境衛生學系，銀川 750004； 2.寧夏環境因素與慢性病控制重點實驗室，銀川 750004）

鄰苯二甲酸酯類化合物（phthalic acid esters，PAEs）具有良好的可塑性和延展性，廣泛用于塑料加工等行業[1]。PAEs 極易通過揮發、溶解和遷移等方式進入環境，最終經皮膚、呼吸道和消化道進入人體并對人體造成損害[2]。PAEs 的種類有很多，包括鄰苯二甲酸二異壬酯（DINP）、鄰苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）、鄰苯二甲酸二丁酯（dibutyl phthalate，DBP）等[3]。有研究[4]表明，DBP 可以破壞鰓的能量代謝和形態，誘導肝毒性。DBP 通過激活NOD2/RIP2/NF-κB 信號通路，引起草魚肝細胞凋亡和炎性因子水平的升高[5]。當DBP 被人體吸收后，能水解成鄰苯二甲酸單丁酯（monobutyl phthalate，MBP），MBP 具有多種毒性，對動物生殖和發育有一定的影響[6]。有研究[7]表明，MBP 對雄性青春期大鼠內分泌器官有一定的毒性作用。MBP 也可以通過TNF/IL6/STAT3 信號通路誘導小鼠睪丸間質細胞株（TM-3）細胞鐵死亡[8]。細胞焦亡是一種細胞程序性死亡方式，其發生通常與各種細胞死亡有關，如細胞凋亡和壞死。有研究[9-11]顯示，Caspase-3/GSDME 通路可引起細胞焦亡，還可改變凋亡和焦亡之間的平衡[12]。本課題組前期研究結果表明，MBP 作用于睪丸間質細胞后會引起細胞凋亡[13]，一定劑量的MBP 可提高TM-3 細胞自噬水平[14]。因此，本研究以睪丸間質細胞為模型，以Caspase-3 介導的細胞焦亡為切入點，探討MBP是否通過Caspase-3/GSDME 通路誘導睪丸間質細胞焦亡，為進一步研究MBP 致雄性生殖毒性的作用提供理論依據和研究基礎。

1 材料與方法

1.1 細胞株、主要儀器與試劑

1.1.1 細胞株 小鼠睪丸間質細胞株（TM-3 細胞，美國ATCC 細胞研究中心）。

1.1.2 主要儀器 CO2培養箱、發光成像系統、凈化工作臺（蘇州安泰空氣技術有限公司），細胞計數儀［康寧（上海）管理有限公司］，細胞成像系統倒置生物顯微鏡［愛可機械（深圳）有限公司］，高速冷凍離心機（上海力申科學儀器有限公司），酶標儀（美國珀金埃爾默股份有限公司）。

1.1.3 試劑 MBP 標準品（純度：99.85%，美國Medchem Express 公司），胎牛血清（美國Gibco公司），細胞凋亡與壞死試劑盒、乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase，LDH）試劑盒和Caspase-3 抑制劑（Ac-DEVD-CHO）（上海碧云天生物技術股份有限公司），CCK-8 細胞增殖檢測試劑盒、全蛋白提取和BCA 蛋白檢測試劑盒（江蘇凱基生物技術股份有限公司），Caspase-3（ab184787）、GSDME（ab215191）、GSDME-N 抗體（ab222407）（英國Abcam 公司） 和cleaved-Caspase3 抗體（D160009）［生工生物工程（上海）股份有限公司］。

1.2 TM-3 細胞培養、染毒液配制及分組

復蘇TM-3，離心棄掉凍存液，加入新配制的完全培養基，于37 ℃、5% CO2、100%相對濕度培養箱中培養24 h 后換液傳代，在對數生長期收集細胞。MBP 染毒液配制：準確稱取適量的MBP粉末溶于無菌的二甲基亞砜（DMSO）中制成母液。按照本課題組前期實驗劑量[8]，加入無菌培養基，梯度稀釋成對照組（0 mmol·L-1）、低劑量組（2.5 mmol·L-1）、中劑量組（5 mmol·L-1）、高劑量組（10 mmol·L-1）的染毒液，現用現配。

1.3 CCK-8 法檢測不同濃度Caspase-3 抑制劑對細胞活力的影響

調整細胞濃度，將細胞接種到96 孔板中，在CO2培養箱中培養到細胞貼壁后，加入濃度梯度為0（對照組）、2.5、5、10、20 μmol·L-1的抑制劑繼續培養24 h，避光加入適量的檢測液，37 ℃孵育，檢測其吸光度值。

1.4 光學顯微鏡下觀察TM-3 細胞形態

將TM-3 細胞接種到6 孔板中，待細胞鋪滿孔底70%～80%，分別加入0、2.5、5、10 mmol·L-1的MBP 干預24 h，于光學顯微鏡下觀察細胞形態變化。

1.5 LDH 釋放實驗

取TM-3 懸液，將細胞接種于96 孔板中，待細胞貼壁后，按照分組加入MBP 染毒液，放入培養箱中培養23 h 后，向樣品最大酶活性孔加入LDH 釋放試劑，繼續于細胞培養箱中孵育。檢測時各孔取120 μL 上清液，移至新的96 孔板中，各孔分別加入60 μL 配制好的LDH 檢測工作液，室溫下避光孵育30 min；采用酶標儀于490 nm處測定各孔光密度（OD）值。計算：LDH 釋放率（%）=［（實驗孔OD 值-對照孔OD 值）/（最大酶活性孔OD 值-對照孔OD 值）］×100%。

1.6 Hoechst 33342/碘化丙啶（propidium iodide，PI）染色檢測

各組細胞經不同藥物干預24 h 后，向含有細胞的6 孔板中加入5 μL Hoechst 33342 和5 μL PI 染液，于4 ℃條件下避光孵育30 min，PBS 溶液漂洗后，使用倒置熒光顯微鏡拍照。隨機選取3 個不同視野，計算每個視野中的細胞總數及紅色熒光細胞數，計算PI 陽性細胞比例[15-16]。

1.7 Western blot 檢測Caspase-3 和GSDME 蛋白變化

將適當濃度的細胞懸液接種于無菌培養皿內，混勻。待細胞長至70%～80% 時，用MBP 染毒，于培養箱中繼續培養24 h，嚴格按照全蛋白提取試劑盒說明書操作，用BCA 法測蛋白濃度，配制合適的上樣體系，變性。通過Western blot（制膠，上樣，跑膠，轉膜，剪膜，封閉，一抗孵育，洗膜，二抗孵育，洗膜）檢測Caspase-3 和GSDME 蛋白的表達量，并應用Image J 軟件計算灰度值。

1.8 統計學方法

數據采用GraphPad Prism 9 和SPSS 26.0 軟件進行統計學分析。計量資料以均數±標準差（±s）表示，多組間比較采用單因素方差分析，組間兩兩比較采用LSD-t 檢驗。P≤0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 不同濃度MBP 染毒對TM-3 細胞形態的影響

對照組TM-3 細胞大多為多邊形，細胞間排列較密集。隨著染毒劑量的增加，各細胞間的間隙變大，腫脹和球囊狀冒泡的細胞增多，貼壁細胞的數量明顯減少，見圖1。

2.2 MBP 染毒對TM-3 細胞上清液中LDH 水平的影響

MBP 染毒細胞24 h 后，檢測細胞上清液中的LDH 含量，與對照組相比，所有處理組細胞上清液中的LDH 水平均升高（P＜0.01），見圖2。

圖2 不同濃度MBP 對TM-3 細胞LDH 釋放率的影響

2.3 Ac-DEVD-CHO 對TM-3 細胞活力的影響

CCK-8 法檢測不同濃度Ac-DEVD-CHO 對TM-3 細胞增殖的影響。隨著Ac-DEVD-CHO 濃度的增加，TM-3 細胞的存活率出現先上升后下降的趨勢，與對照組相比，5 μmol·L-1Ac-DEVDCHO 細胞存活率為99.17%（P＞0.05）。因此，選擇5 μmol·L-1Ac-DEVD-CHO 作為抑制劑組干預劑量。進一步檢測各處理組對細胞活性的影響，結果表明，與中劑量組相比，抑制劑組細胞存活率降低（P＜0.05），見圖3。

圖3 不同處理組染毒對TM-3 細胞活力的影響

2.4 Ac-DEVD-CHO 對TM-3 細胞上清液中LDH 水平的影響

不同分組處理細胞24 h 后，檢測細胞上清中的LDH 含量，與對照組相比，所有處理組細胞上清液中的LDH 水平均升高（P＜0.05）。與中劑量組相比，中劑量+抑制劑組LDH 的釋放率有所下降（P＜0.05），見圖4。

圖4 Ac-DEVD-CHO 對TM-3 細胞LDH 釋放率的影響

2.5 MBP 染毒對TM-3 細胞PI 陽性比例的影響

經Hoechst 33342/PI 雙染后結果顯示，與對照組相比，各染毒組PI 陽性比例均升高（P 均＜0.05），見圖5。

圖5 不同濃度MBP 對TM-3 細胞PI 陽性比例的影響

2.6 Ac-DEVD-CHO 對TM-3 細胞PI 陽性比例的影響

與對照組相比，抑制劑組、中劑量組、中劑量+抑制劑組PI 陽性比例均升高（P 均＜0.05）。與中劑量組相比，中劑量+抑制劑組PI 陽性比例有所下降（P＜0.05），見圖6。

圖6 加入Ac-DEVD-CHO 對TM-3 細胞PI 陽性比例的影響

2.7 不同濃度MBP 對TM-3 細胞焦亡相關蛋白表達量的影響

各MBP 染毒組cleaved-caspase3 和GSDMEN 蛋白的相對表達量與對照組相比增加。與對照組相比，中、高劑量組cleaved-caspase3、GSDMEN 蛋白的相對表達量均升高（P 均＜0.05），見圖7。

圖7 不同濃度MBP 對TM-3 細胞焦亡相關蛋白表達量的影響

2.8 Ac-DEVD-CHO 對TM-3 細胞焦亡相關蛋白表達量的影響

與對照組相比，各染毒組cleaved-caspase3和GSDME-N 的蛋白相對表達均上升。與中劑量組相比，中劑量+抑制劑組的cleaved-caspase3和、GSDME-N 蛋白的相對表達水平均下降，差異有統計學意義（P＜0.01），見圖8。

圖8 Ac-DEVD-CHO 對TM-3 細胞焦亡相關蛋白表達量的影響

3 討論

細胞焦亡是一種程序性的細胞死亡方式，它的主要特征是細胞腫脹、細胞膜穿孔和細胞內容物的釋放[17]。焦亡通常由炎癥小體觸發并由氣體蛋白執行，它的通路主要分為典型的炎性小體途徑，即激活的Caspase-1 進而裂解氣體蛋白D（GSDMD）形成GSDMD n 端，GSDMD n 端能夠與細胞膜結合形成跨膜孔，誘導細胞焦亡；由脂多糖（LPS）與Caspase-4/5 的直接結合誘導是非典型的炎癥小體途徑；以及Caspase-3 介導的焦亡途徑，Caspase-3 可以裂解氣體蛋白E 形成跨膜孔，然后導致細胞進入焦亡過程[9，18]。有研究[19]表明，GSDME 介導的細胞焦亡主要依賴Caspase-3的剪切活化。

Wang 等[9，20-22]研究表明，焦亡細胞在光鏡下表現出細胞腫脹和球囊狀冒泡的顯微鏡特征。而本研究顯示，MBP 作用于TM-3 細胞后，低、中、高劑量組細胞均出現細胞腫脹和球囊狀冒泡的狀態，提示細胞可能發生了焦亡。

Hoechst 33342/PI 染色和LDH 釋放率測定是鑒定細胞焦亡的常用檢測方法[15，23]。LDH 是存在于細胞質的一種糖酵解酶，細胞發生焦亡時，細胞膜上會形成孔洞，LDH 通過孔洞進入細胞外，而PI 染料不能進入細胞膜完整的細胞。所以可以通過檢測細胞LDH 的釋放和Hoechst 33342/PI 染色情況來判斷細胞膜破損情況[24]。本研究結果表明，與對照組相比，MBP 染毒組各組的PI 陽性細胞比例和LDH 釋放水平均升高，兩者結果提示，MBP 染毒后導致TM-3 的細胞膜發生破損，與何婷婷等[15，24]關于細胞膜破損的研究相似。Caspase-3/GSDME 通路是一種細胞焦亡的通路，GSDME 作為焦亡蛋白，通過其表達量的變化可以判斷焦亡的發生與否[9]。本研究結果表明，各劑量組的Caspase-3 和GSDME 的相對表達量較對照組升高，表明MBP 誘導睪丸間質細胞發生了焦亡。Ac-DEVD-CHO 是一種Caspase-3 蛋白抑制劑，Ac-DEVD-CHO 作用于細胞后，與中劑量組相比，中劑量+抑制劑組的細胞存活率提高，LDH 釋放率、PI 陽性細胞比例以及Caspase-3 和GSDME 的相對表達水平降低。表明Ac-DEVD-CHO 可以抑制MBP 誘導的睪丸間質細胞焦亡。提示Caspase-3 參與了MBP 誘導的睪丸間質細胞誘導的損傷，并且Caspase-3 是GSDME的上游因子。上述研究結果表明MBP 通過Caspase-3/GSDME 信號通路誘導TM-3 細胞焦亡。

綜上所述，MBP 可以通過Caspase-3/GSDME通路誘導睪丸間質細胞焦亡，為進一步闡明PAEs 雄性生殖毒性機制提供了實驗依據，但關于PAEs 的雄性生殖毒性的作用機制還有待進一步探索。