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(gè)轉(zhuǎn)移過程的效率至關(guān)重要。

CTC 離開具有保護(hù)作用的原發(fā)腫瘤微環(huán)境并進(jìn)入血管后，處于懸浮狀態(tài)，易受血液循環(huán)中各種因素的影響。然而，仍然存在一小部分 CTC 亞群，它們可以在血行播散中存活并最終在遠(yuǎn)端器官中產(chǎn)生轉(zhuǎn)移。因此，揭示腫瘤細(xì)胞在血液循環(huán)過程中的生存機(jī)制對于有效預(yù)防腫瘤轉(zhuǎn)移至關(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(yùn)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。

EMT 已被證明可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞存活并賦予傳統(tǒng)腫瘤細(xì)胞 CSC 的特性。除了許多生化信號外，機(jī)械刺激也可能影響 EMT 過程。然而，流體剪切應(yīng)力如何影響懸浮 CTC 的 EMT 表型尚未完全了解。特別是，剪切力誘導(dǎo)的 EMT 變化如何影響血液剪切流中的 CTC 存活尚不清楚。

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(duì)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(shí)驗(yàn)論文。

在這項(xiàng)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(shí)，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(shí)驗(yàn)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。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)間在 12 小時(shí)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 12h 內(nèi)的循環(huán)時(shí)間。

圖一

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(shí)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(shí)間的延長而逐漸降低（圖2 a-d）。在不同時(shí)間點(diǎn)，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(shí)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。

圖二

圖三

圖四

此外，該實(shí)驗(yàn)還表明，流體剪切應(yīng)力促進(jìn)上皮細(xì)胞向間充質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)變，并維持預(yù)先存在的間充質(zhì)亞群的表型。

然后，實(shí)驗(yàn)還研究了剪切誘導(dǎo)的 EMT 對懸浮 CTCs 在流體剪切應(yīng)力下的存活的影響。結(jié)果顯示，0 和 20 dyne/cm2 剪切應(yīng)力處理后存活的腫瘤細(xì)胞比未處理的細(xì)胞具有更高的生存能力，提示剪切誘導(dǎo)的 EMT 與剪切流下較高的生存能力相關(guān)。然后進(jìn)一步探討了在剪切應(yīng)力下 EMT 在 CTCs 存活中的作用。最終結(jié)果表明，剪切誘導(dǎo)的 EMT 表型促進(jìn)了 CTCs 在血液剪切流中的存活。

最后，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步檢測了患者腫瘤和 CTCs 中 EMT 基因、Bcl-2 和 JNK 靶基因 JUN 的表達(dá)與乳腺癌患者存活率之間的相關(guān)性。結(jié)果顯示，這些基因的高表達(dá)促進(jìn)了 CTCs 在血液剪切應(yīng)力下的存活，這可能會增加轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)并降低患者存活率。

實(shí)驗(yàn)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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