5种呋喃香豆素分子潜在风险分析

范俊甫1,李军生1,李荫展 2,王倩倩1,黄国霞1,阎柳娟1

(1.广西科技大学广西糖资源绿色加工重点实验室,广西 柳州 545006;2.广西高通食品科技有限公司,广西 柳州 545100)

摘 要【目的】研究5种呋喃香豆素分子与DNA的相互作用,分析其潜在风险。【方法】通过共振散射光谱法(RLS)计算呋喃香豆素分子与DNA的结合饱和值(DNA BSV),通过DNA BSV反映药物分子与DNA结合能力以评价其潜在风险。【结果】大肠杆菌DNA回收试验结果表明,呋喃香豆素类分子可以或部分进入大肠杆菌细胞内,并与DNA发生相互作用;呋喃香豆素RLS信号变化与溴化乙锭十分相似,其进入大肠杆菌DNA的能力由强到弱依次为:异补骨脂素/补骨脂素、花椒毒酚、香柠檬烯、花椒毒素。【结论】呋喃香豆素类分子能够从体外转移到大肠杆菌内部并于其DNA发生相互作用,且结合模式可能是嵌入;通过计算各自的DNA BSV,推测5种呋喃香豆素类化合物潜在风险不大,但仍具有一定风险。

关键词呋喃香豆素分子;共振散射光谱法;相互作用;DNA结合饱和值;潜在风险分析

【研究意义】虽然某些含有呋喃香豆素类化合物的食品或者药物是人类的膳食来源或对人体有诸多医疗作用,但可能对人体存在一些潜在的健康风险。事实上,呋喃香豆素的光敏活性早已被认可。在没有光照的条件下,呋喃香豆素也可以通过分子间的一些弱作用力如氢键和范德华力插入到DNA双螺旋结构中[1]。最新研究表明,口服含有呋喃香豆素类化合物的药物可以迅速被人体血液吸收[2],而且大量食用富含呋喃香豆素的食物可能与更高的黑色素瘤、基底细胞癌与鳞状上皮细胞癌发病率有关[3-4]。因此,呋喃香豆素类化合物的潜在健康风险问题值得进一步研究[5],发展新的、快速简便的、低成本的、针对呋喃香豆素类化合物潜在风险评价的试验方法以及此类化合物潜在风险的控制对人类健康具有重要意义。【前人研究进展】呋喃香豆素类化合物在自然界中分布广泛,如在伞形科、芸香科、豆科等植物中均存在,在医学上通常用于治疗皮肤病和其他疾病[5]。花椒毒素,一种来源于植物的线型呋喃香豆素,可从各种药用植物中提取,如欧防风的果实,可用作治疗银屑病和白癜风[6]。花椒毒酚,常见于伞形科植物如蛇床、白芷等,具有抗菌、抗肿瘤、抗炎镇痛、保护缺血脑组织等作用[7]。香柠檬烯,在佛手柑精油、其他柑橘精油[8]、葡萄柚汁[9]及无花果、欧芹等其他植物中均有发现,是一种天然的抗肿瘤药物[10]。补骨脂素和异补骨脂素可以从豆科植物补骨脂的果实提取,具有抗癌、防止骨质疏松和治疗皮肤病等多种功效[11]。由于这些天然组分也广泛存在于一些常见的伞形科、芸香科、豆科果蔬中,因此,近年来,人们越来越关注其因过量食用可能对人体健康带来不利的影响和潜在的危害。

【本研究切入点】1961年Lerman发现,吖啶分子具有嵌入DNA分子双螺旋结构的能力,此后又对DNA与平面芳香族化合物的作用进行了大量研究,提出了具有平面芳香稠环结构的分子可以与DNA以一种嵌入结合的方式发生相互作用的结合模式,并提出了DNA嵌入剂的理论,而这种理论也被许多环芳烃分子所证实[12-13]。呋喃香豆素大多具有平面刚性结构,通常,线型呋喃香豆素分子会与DNA的两条链形成链间交联,而非线型的则只会与DNA形成单加合物[14]。因此在某种程度上可能会导致DNA的转录和复制受到阻碍或抑制,因此。呋喃香豆素可能存在毒性和导致基因突变,对人体健康存在一定风险。【拟解决的关键问题】通过共振光散射技术研究了5种呋喃香豆素类分子与DNA相互作用,通过计算其对应的DNA结合饱和值,并以典型的DNA嵌入剂溴化乙锭作为参考标准,以此快速评价药物潜在风险。

1 材料与方法

1.1 试验材料

大肠杆菌由广西科技大学微生物实验室提供。DNA储备溶液:将适量鲱鱼精DNA(Herring Sperm DNA,美国sigma公司)溶于50 mL的3次蒸馏水中,保存于0~4 ℃冰箱。根据朗伯比尔定律确定DNA储备液的浓度。花椒毒素、香柠檬烯、花椒毒酚均为北京百灵威化学技术有限公司产品,分别用1,2-丙二醇、乙醇、二甲基亚砜配制成一定浓度的溶液,使用时稀释至所需浓度。异补骨脂素、补骨脂素和溴化乙锭为北京百灵威化学技术有限公司产品,均采用3次蒸馏水配成一定浓度的溶液,使用时稀释至所需浓度。使用pH7.40的Britton-Robinson(BR)缓冲溶液控制反应体系的pH值。其他试剂均为分析纯,所用水均为3次蒸馏水。 F-320荧光分光光度计(天津港东科技发展股份有限公司);UV-2102 PC型紫外可见分光光度计(上海仪器有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 大肠杆菌DNA中残留呋喃香豆素类分子的共振散射光谱测定 在液体培养基中接种大肠杆菌,于37 ℃摇床培养箱中培养18 h,均匀分装在5个40 mL锥形瓶中,分别编号1~5号,在2~5号锥形瓶中加入2.50×10-3 mol/L的溴化乙锭、花椒毒素、香柠檬烯和花椒毒酚,摇匀,以1号为对照。每30 min从5个锥形瓶中取等量的大肠杆菌提取大肠杆菌DNA。8.5 h后,把提取出来的大肠杆菌DNA分别用TE悬浮,测其在260 nm处的吸光值。根据朗伯比尔定律,确定DNA浓度,并使所有DNA浓度调成一致。于F-320荧光分光光度计上设置λem=λex,狭缝宽度均为5 nm,扫描速度1 200 nm/min,PMT 600V,灵敏度8.0 s,进行同步扫描,获得共振散射光谱。

1.2.2 呋喃香豆素类分子与DNA作用的共振散射光谱测定 向10 mL比色管加入3 mL一定浓度的溴化乙锭溶液,进行同步扫描。再用一定浓度的DNA溶液滴定,每次用旋涡混合器混匀,静置40 min消除气泡,进行同步扫描,获得共振散射光谱。用同样方法获得香柠檬烯、花椒毒酚、补骨脂素、异补骨脂素分别与DNA作用的共振散射光谱图。反应条件均为常温、pH7.40。仪器参数与1.2.1一致。

1.3 潜在风险评价分析方法

对于呋喃香豆素类化合物,不同的药物分子与DNA的结合位置与结合位点数量可能也有所不同。根据本实验室先前提出的DNA结合饱和值概念[15],可用药物分子浓度与达到饱和时DNA浓度之比表示:

通过共振散射光谱推算出药物的DNA结合饱和值(DNA-BSV),DNA-BSV越大,药物与DNA的结合能力越强,其潜在风险越大,并以溴化乙锭的DNA-BSV作为参考,以此评价药物潜在风险。

2 结果与分析

2.1 呋喃香豆素类分子与大肠杆菌DNA相互作用

本试验分别测得不同时间大肠杆菌内花椒毒素、香柠檬烯、花椒毒酚和溴化乙锭进入并与大肠杆菌DNA作用后,大肠杆菌DNA的共振散射(RLS)信号变化(图1)。前4 h,与空白对照相比,溴化乙锭、花椒毒素、香柠檬烯、花椒毒酚与大肠杆菌DNA的RLS信号变化甚微。在此阶段,大肠杆菌细胞膜均比较完整,使药物进入大肠杆菌细胞内较为困难,难与DNA发生相互作用,或少量的药物进入到大肠杆菌细胞内,因此RLS信号强度与空白对照差别不明显。当大肠杆菌与药物分子作用时长达到5.5 h后,花椒毒酚、香柠檬烯、花椒毒素、溴化乙锭的RLS信号逐一增强,且与溴化乙锭作用的大肠杆菌DNA的散射共振信号较明显的高于花椒毒素、香柠檬烯、花椒毒酚;随着相互作用的时间不断增加,一部分大肠杆菌的细胞膜不断遭到破坏,进入到大肠杆菌细胞内的药物分子开始不断与大肠杆菌DNA发生作用,而空白对照基本无明显变化。当作用时间达到8.5 h后,大肠杆菌DNA与花椒毒酚、香柠檬烯、花椒毒素、溴化乙锭作用的光谱信号均明显高于空白对照,且溴化乙锭与大肠杆菌DNA作用的光谱信号明显高于其与花椒毒酚、香柠檬烯、花椒毒素的共振信号。在这期间,大肠杆菌的细胞膜完整性较差,大量的药物分子进入到大肠杆菌细胞内与大肠杆菌DNA结合,且与溴化乙锭作用的DNA共振散射光谱信号最强。空白对照RLS信号强度变化不明显。

图1 呋喃香豆素类分子与大肠杆菌作用不同时间的大肠杆菌DNA的共振散射信号
Fig. 1 Resonance light scatting signals of Escherichia coli DNA at different time for furocoumarin molecules' interaction with E. coli

2.2 呋喃香豆素类分子与DNA相互作用的共振散射光谱研究

本试验运用共振散射光谱法研究了溴化乙锭、花椒毒素、香柠檬烯、花椒毒酚、补骨脂素以及异补骨脂素与DNA的相互作用。如图2所示,溴化乙锭在360、580 nm处出现两个共振散射峰,在360 nm处的共振散射峰比较稳定且灵敏,逐渐往1.138×10-5 mol/L的溴化乙锭溶液中加入DNA,在DNA浓度从0增加到0.73×10-6 mol/L的过程中,溴化乙锭的RLS信号逐渐增强;DNA的浓度超过0.73×10-6 mol/L,溴化乙锭的共振散射信号不再增强而趋于平衡甚至有逐渐降低的趋势。其他5种呋喃香豆素类化合物如补骨脂素、异补骨脂素,花椒毒素,香柠檬烯,花椒毒酚分别与DNA相互作用的RLS光谱均出现了类似结果(图3~图7)。说明这些呋喃香豆素分子具有类似溴化乙锭和DNA结合的模式。

图2 溴化乙锭与DNA相互作用共振散射光谱
Fig. 2 Resonance light scatting spectra of the interaction between ethidium bromide and DNA

1~4: [溴化乙锭]=1.138×10-5 mol/L, [DNA]=0, 0.36, 1.09, 0.73×10-6 mol/L 1~4: [ethidium bromide]=1.138×10-5 mol/L, [DNA]=0, 0.36,1.09,0.73×10-6 mol/L

图3 补骨脂素与DNA相互作用共振散射光谱
Fig. 3 Resonance light scatting spectra of the interaction between psolaren and DNA

1~6: [补 骨脂素]=1.075×10-6mol/L, [DNA]=0, 0.36, 0.73, 1.82, 1.09,1.45×10-6 mol/L
1~6: [psolaren]=1.075×10-6 mol/L, [DNA]=0, 0.36, 0.73, 1.82, 1.09,1.45×10-6 mol/L

图4 异补骨脂素与DNA相互作用共振散射光谱
Fig. 4 Resonance light scatting spectra of the interaction between isopsolaren and DNA

1~6: [异补骨脂素]=1.075×10-6 mol/L, [DNA]=0, 0.36, 0.73, 1.82, 1.09,1.45×10-6 mol/L
1~6: [isopsolaren]=1.075×10-6 mol/L, [DNA]=0, 0.36, 0.73, 1.82, 1.09,1.45×10-6 mol/L

图5 香柠檬烯与DNA相互作用共振散射光谱
Fig. 5 Resonance light scatting spectra of the interaction between bergapten and DNA

1:[香柠檬烯]=0; 2~8: [香柠檬烯]=2.5×10-5 mol/L, [DNA]= 0,4.58×10-5, 6.87×10-5, 9.16×10-5, 1.15×10-4, 1.60×10-4, 1.37×10-4 mol/L 1: [bergapten]=0; 2~8: [bergapten]=2.5×10-5 mol/L, [DNA]= 0,4.58×10-5, 6.87×10-5, 9.16×10-5, 1.15×10-4, 1.60×10-4, 1.37×10-4 mol/L

图6 花椒毒素与DNA共振散射光谱
Fig. 6 Resonance light scatting spectra of the interaction between xanthotoxin and DNA

1: [花椒毒素]=0, [DNA]= 7.04×10-5 mol/L; 2~8: [花椒毒素]=2.5×10-5 mol/L, [DNA]= 0, 3.52×10-5, 5.28×10-5, 7.04×10-5, 8.80×10-5,1.06×10-4, 1.23×10-4 mol/L
1: [xanthotoxin] =0, [DNA]= 7.04×10-5 mol/L; 2~8: [xanthotoxin]=2.5×10-5 mol/L, [DNA]= 0, 3.52×10-5, 5.28×10-5, 7.04×10-5, 8.80×10-5,1.06×10-4, 1.23×10-4 mol/L

图7 花椒毒酚与DNA相互作用共振散射光谱
Fig. 7 Resonance light scatting spectra of the interaction between xanthotoxo and DNA

1: [花椒毒酚]=0, [DNA]= 7.04×10-5 mol/L; 2~8: [花椒毒酚]=2.5×10-5 mol/L,[ DNA]= 0, 3.52×10-5, 5.28×10-5, 7.04×10-5, 8.80×10-5,1.06×10-4, 1.23×10-4 mol/L
1: [xanthotoxol] =0, [DNA] = 7.04×10-5 mol/L; 2~8: [xanthotoxin]=2.5×10-5 mol/L, [DNA]= 0, 3.52×10-5 , 5.28×10-5 , 7.04×10-5 ,8.80×10-5 , 1.06×10-4, 1.23×10-4 mol/L

2.3 呋喃香豆素类分子与DNA结合饱和值及潜在风险评价分析

选取溴化乙锭为参照,研究5种呋喃香豆素分子与DNA的结合饱和值,并与溴化乙锭的作比较。通过结合饱和值来快速简便地评价平面结构分子的潜在风险。事实上,对于呋喃香豆素类化合物,不同药物分子与DNA的结合位置与结合位点数量也有所不同。DNA在一定浓度范围内使共振散射信号逐渐增强,共振散射信号的增强说明溶液中有加合物的形成;DNA浓度超过一定范围,药物分子共振散射信号不再增强或者有下降趋势,说明药物与DNA反应达到平衡。因此,根据4种呋喃香豆素类化合物溴化乙锭的RLS光谱图,溴化乙锭、花椒毒素、香柠檬烯、花椒毒酚、异补骨脂素和补骨脂素与DNA作用的DNA 结合饱和值如表1所示。

表1 在pH 7.40的体系中药物与DNA的结合饱和值
Table 1 DNA binding saturation values for drug molecules binding with DNA at pH7.40

药物的结合饱和值/溴化乙锭的结合饱和值DNA-BSV of drugs / DNA-BSV of ethidium bromide (%)溴化乙锭Ethidium bromide药物Drug药物的结合饱和值DNA-BSV of drugs 15.59异补骨脂素Isopsolaren 0.74 4.75补骨脂素Psoralen 0.74 4.75花椒毒素Xanthotoxin 0.17 1.09香柠檬烯Bergapten 0.18 1.15花椒毒酚Xanthotoxol 0.24 1.54

3 讨论

尽管应用于PUVA治疗的呋喃香豆素类化合物,在治疗某些皮肤疾病方面非常有用,但也有报道证实呋喃香豆素类与紫外线辐射联合使用具有致癌作用[16],而且还有报道表明食品中存在的呋喃香豆素类化合物也增加了患皮肤癌的风险[1]。早在 1993年,Pasternack等[17]就建立了共振散射光谱技术,这种技术常被用于研究大分子与小分子之间的相互作用,具有灵敏度高、操作简便和快速高效的优点。通过共振散射光谱法研究花椒毒素、香柠檬烯、花椒毒酚进入大肠杆菌DNA的能力。本研究结果表明,这3种药物分子均可以或部分可以进入到大肠杆菌细胞内,并与大肠杆菌DNA结合,且其进入大肠杆菌的能力相差不大,花椒毒素和香柠檬烯进入大肠杆菌的能力比花椒毒酚略逊一筹。这5种呋喃香豆素体外与DNA共振散射光谱研究结果表明,5种呋喃香豆素类化合物如补骨脂素、异补骨脂素,花椒毒素,香柠檬烯,花椒毒酚与DNA相互作用均出现了与溴化乙锭类似的RLS光谱特征,说明这些呋喃香豆素分子与溴化乙锭和DNA结合模式也类似。溴化乙锭是一种典型的DNA嵌入剂,是剧毒的致癌物且早已被证实[18],因为它可以平行地嵌入到双链DNA的碱基对之间[19],导致DNA构象发生改变,形成稳定的溴化乙锭-DNA加合物[20],从而对DNA的复制和转录造成一定程度的影响[21]。有些呋喃香豆素类分子即使在没有紫外线照射下也会展现出光敏活性而与DNA碱基对进行反应形成链间交联[7]。补骨脂素和异补骨脂素都是典型的DNA嵌入剂,与DNA相互作用均属嵌插模式,事实上,这些呋喃香豆素类分子与溴化乙锭在结构上都具有一定的相似性。因此,我们推测花椒毒素,香柠檬烯,花椒毒酚与DNA相互作用也与嵌插模式有关。通过共振散射光谱法并结合DNA结合饱和值,预测药物分子与DNA之间的结合能力,药物的DNA结合饱和值的值越大,说明药物分子与DNA结合能力越强,其潜在风险也越大。这几种药物分子与DNA结合饱和值大小分别为:溴化乙锭> 异补骨脂素/补骨脂素> 花椒毒酚> 香柠檬烯> 花椒毒素,说明这几种呋喃香豆素类分子的潜在风险:异补骨脂素/补骨脂素> 花椒毒酚> 香柠檬烯> 花椒毒素。DNA 结合饱和值与药物DNA结合能力的强度成正相关。细胞培养实验结果表明这些呋喃香豆素分子能够进入大肠杆菌DNA,可以推测它们也可能被人体吸收而进入DNA,因此呋喃香豆素分子的确存在一定风险。

通过共振光散射法测定药物DNA结合饱和值,以此来评价药物潜在风险,具有操作简单、成本低、检测周期短的优点,对发展新的药物潜在风险评价的方法具有一定的参考价值。然而,为了降低药物在使用过程中的潜在风险,还有许多因素影响药物与DNA结合能力,如温度、pH、离子强度、其他环境共存物等,值得进一步深入探讨,因此通过共振光散射法结合DNA结合饱和值,评价和调控药物潜在风险将会是接下来的研究方向。

4 结论

通过共振散射光谱法检测到大肠杆菌DNA共振信号随时间逐渐增强,说明花椒毒素、香柠檬烯、花椒毒酚3种呋喃香豆素类化合物是可以进入大肠杆菌细胞内,并与其DNA发生相互作用,可以推测人体吸收呋喃香豆素会进入其DNA并发生某些链间交联作用,因此存在一些风险。鉴于溴化乙锭、异补骨脂素和补骨脂素均为DNA嵌入剂,它们的RLS信号变化十分相似,可以推测花椒毒素、香柠檬烯、花椒毒酚与DNA相互作用方式可能也是嵌插方式。此外,在体外pH7.40环境中,5种药物与DNA的结合饱和值分别为:0.74(补骨脂素)、0.74(异补骨脂素)、0.24(花椒毒酚)、0.18(香柠檬烯)、0.17(花椒毒素),分别相当于溴化乙锭的4.75%、4.75%、1.54%、1.15%、1.09%。它们的DNA 结合饱和值远小于溴化乙锭,略小于异补骨脂素/补骨脂素。其潜在风险由大到小依次为:异补骨脂素/补骨脂素、花椒毒酚、香柠檬烯、花椒毒素。药物分子与DNA结合饱和值的大小反映了其与DNA结合能力的大小,DNA结合饱和值越大,与DNA结合的能力越强,其潜在风险越大。这5种呋喃香豆素类分子潜在风险较小,但仍具有一定风险,可能对人体健康存在某些负面作用,在食品安全研究及药物药理研究的过程中应值得注意。

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Analysis on the Potential Risks of Five Furocoumarin Molecules

FAN Junfu1, LI Junsheng1, LI Yinzhan2, WANG Qianqian1, HUANG Guoxia1, YAN Liujuan1
(1.Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources, Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006, China;2. Guangxi Gaotong Food Technology Co., Ltd., Liuzhou 545100, China)

Abstract【Objective】The objective of the paper was to study the interaction between 5 kinds of furancoumarin molecules and DNA and analyze their potential risks. 【Methods】The DNA binding saturation value (DNA BSV) of furanocoumarin molecules binding with DNA was calculated through resonance light scattering (RLS), and the drug molecules’ability to bind with DNA was reflected by such BSV to evaluate their potential risks.【Resultsv】 The results of recovery experiments indicated that these furocoumarin molecules could enter or partially enter Escherichia coli cells and interact with DNA. The changes of RLS signals of furan-coumarin molecules were similar to those of ethidium bromide; the capacity of furan-coumarin molecules that enter E. coli DNA was ranking as follows: iopsoralen/psoralen>xanthotoxol> bergapten> xanthotoxin.【Conclusion】Furancoumarin molecules could be transferred from external of E. coli to its internal and interact with their DNA, and the binding pattern may be insertion. It was speculated that the 5 tested furancoumarin molecules showed little potential risks but there was still some by calculating the respective DNA BSV.

Key wordsfurocoumarin molecules; resonance light scattering; interaction; DNA binding saturation value; potential risk analysis

中图分类号R978.2+5

文献标志码:A

文章编号:1004-874X(2019)02-0113-07

范俊甫,李军生,李荫展,王倩倩,黄国霞,阎柳娟.5种呋喃香豆素分子潜在风险分析[J].广东农业科学,2019,46(2):113-119.

收稿日期:2018-11-15

基金项目:广西自然科学基金(2018GXNSFDA281030)

作者简介:范俊甫(1994—),男,在读硕士生,研究方向为生物分子的化学修饰与功能,E-mail:2239135994@qq.com

通信作者:李军生(1963—),男,博士,教授,研究方向为生物分子的化学修饰与功能,E-mail:junshenglee63@aliyun.com

(责任编辑 白雪娜)