流體剪切應(yīng)力通過JNK信號誘導(dǎo)循環(huán)腫瘤細(xì)胞的EMT

癌癥已成為全球人類死亡的第二大原因，超過 90% 的癌癥相關(guān)死亡歸因于轉(zhuǎn)移性傳播。腫瘤細(xì)胞主要通過血行播散轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)端器官。因此，循環(huán)腫瘤細(xì)胞(CTC)在血管系統(tǒng)中的存活對整個轉(zhuǎn)移過程的效率至關(guān)重要。

盡管各種生化因子在CTC存活和轉(zhuǎn)移中具有重要作用，但細(xì)胞具有感知機(jī)械刺激的能力，這些機(jī)械刺激可通過機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)化為生化信號。流體剪切應(yīng)力促進(jìn)貼壁腫瘤細(xì)胞的上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)，上皮細(xì)胞通過這一過程向間充質(zhì)細(xì)胞狀態(tài)過渡，并增強(qiáng)細(xì)胞的運動性和癌癥干細(xì)胞(CSC)的特性。相比之下，流體剪切應(yīng)力對懸浮腫瘤細(xì)胞的影響仍然知之甚少。

基于此，香港理工大學(xué)深圳研究院以及香港理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系的專家團(tuán)隊進(jìn)行了更深層次的研究，在International Journal of Molecular Sciences 上發(fā)表了題為《Fluid Shear Stress Induces EMT of Circulating Tumor Cells via JNK Signaling in Favor of Their Survival during Hematogenous Dissemination》的實驗論文。

在這項研究中，采用體外循環(huán)系統(tǒng)來產(chǎn)生生理水平的流體剪切應(yīng)力，模擬血液在血管中的剪切流動。當(dāng)檢測細(xì)胞活性和 EMT 表型時，將腫瘤細(xì)胞在懸浮狀態(tài)下暴露于各種水平的流體剪切應(yīng)力下。通過機(jī)制研究，探討剪切介導(dǎo)的EMT機(jī)制，特別是c-Jun N-terminal激酶(JNK)信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。此外，實驗研究了剪切誘導(dǎo)的 EMT 和 JNK 信號通路在 CTCs在流體剪切流中存活中的作用。最后還分析了 EMT 和 JNK 信號通路與患者存活率之間的相關(guān)性。

部分實驗結(jié)果：

腫瘤細(xì)胞在血行播散過程中經(jīng)歷了相當(dāng)大的流體剪切應(yīng)力。該實驗利用體外系統(tǒng)來模擬血液剪切流（圖1）。靜脈和動脈循環(huán)內(nèi)的平均剪切應(yīng)力分別為 0.5-4 dynes/cm2和 4-30 dynes/cm2。血管系統(tǒng)中 CTCs 的持續(xù)時間在 12 小時內(nèi)。因此，本研究采用20 dyne/cm2范圍內(nèi)的流體剪切應(yīng)力和12 h內(nèi)的循環(huán)時間。

圖 1

為了探討流體剪切應(yīng)力對懸浮腫瘤細(xì)胞活性的影響，不同惡性程度的乳腺癌細(xì)胞在不同水平的剪切應(yīng)力下循環(huán)不同的時間。結(jié)果表明，在一定剪切應(yīng)力下，懸浮CTCs 的活性隨循環(huán)時間的延長而逐漸降低（圖2 a-d）。在不同時間點，20 dynes/cm2切應(yīng)力下的細(xì)胞存活率明顯低于0 dynes/cm2切應(yīng)力下的細(xì)胞存活率。Annexin V分析進(jìn)一步證實了這些發(fā)現(xiàn)（圖2 e、f）。在四種乳腺癌細(xì)胞系中也觀察到類似的現(xiàn)象（SKBR3、MCF-7、MDA-MB-468 和 MDA-MB-231；圖2）。這些結(jié)果表明，流體剪切應(yīng)力消除了大部分懸浮的 CTCs。

圖 2

其次，為了檢測流體剪切應(yīng)力可能通過JNK信號通路誘導(dǎo)EMT表型這個假設(shè)，研究人員在剪切應(yīng)力處理后檢測了 JNK 信號通路的活性。結(jié)果表明，在SKBR3、MDA-MB-468和MCF-7等多種乳腺癌細(xì)胞中，20 dyne/cm2剪切應(yīng)力處理后，CTCs中JNK信號的磷酸化水平高于0 dyne/cm2的剪切應(yīng)力處理（圖3 a和圖4 a、c）。免疫印跡進(jìn)一步證實了JNK信號的激活，而JNK的總水平在對照細(xì)胞和剪切處理細(xì)胞之間無明顯差異（圖3 b）。
 

圖 3

圖 4

為了探討在剪切誘導(dǎo)的 EMT 中的作用，當(dāng)乳腺癌細(xì)胞暴露于流體剪切應(yīng)力時，JNK 信號通路被調(diào)節(jié)。茴香霉素，一種 JNK 激活劑，在 20 dyne/cm2 剪切應(yīng)力的存在下，顯著上調(diào)間充質(zhì)標(biāo)志物的表達(dá)，并促進(jìn)懸浮腫瘤細(xì)胞的 EMT 表型（圖3 c 和圖4 b、d）。

另一方面，JNK抑制劑SP600125在流體剪切應(yīng)力下增強(qiáng)上皮標(biāo)志物（EpCAM）的表達(dá)，同時抑制間充質(zhì)標(biāo)志物（Twist，N-cadherin）的表達(dá)（圖3 d和圖4 b、d）。重要的是，在 20 達(dá)因/厘米2剪切應(yīng)力處理的細(xì)胞中，沉默 JNK 信號會降低 CSV+ 亞群的比例（圖3 e），而激活該通路則增加了這一比例。

這些結(jié)果表明，抑制/激活JNK信號通路可抑制/促進(jìn)乳腺CTCs 中剪切誘導(dǎo)的EMT，提示流體剪切應(yīng)力可通過JNK信號通路誘導(dǎo)懸浮CTCs的EMT。

實驗結(jié)論：

該研究表明，血液循環(huán)中的流體剪切應(yīng)力不僅消除了大部分懸浮的 CTCs，而且通過 JNK 信號將上皮腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)殚g充質(zhì)狀態(tài)，并維持預(yù)先存在的間充質(zhì)細(xì)胞的表型，從而促進(jìn)了存活腫瘤細(xì)胞中的 EMT 表型。

重要的是，剪切誘導(dǎo)的 EMT 通過抑制 PUMA 的表達(dá)和激活 JNK 信號通路，促進(jìn)懸浮CTCs 在血液剪切應(yīng)力下的存活。

此外，EMT 基因和 JNK 基因 JUN 的表達(dá)與患者存活率低相關(guān)。

該研究發(fā)現(xiàn)揭示了血液循環(huán)中流體剪切應(yīng)力對CTCs 的雙重影響，并為力學(xué)在腫瘤轉(zhuǎn)移中的作用提供了新的見解。

參考文獻(xiàn)：Xin Y, Li K, Yang M, Tan Y. Fluid Shear Stress Induces EMT of Circulating Tumor Cells via JNK Signaling in Favor of Their Survival during Hematogenous Dissemination. Int J Mol Sci. 2020 Oct 30;21(21):8115. doi: 10.3390/ijms21218115. PMID: 33143160; PMCID: PMC7663710.

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