不同區(qū)域氧濃度在結(jié)腸癌細胞上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)換-間質(zhì)上皮轉(zhuǎn)換過程中的作用

雷星，陳熹，趙琳，單濤

作者單位：1延安大學(xué)附屬醫(yī)院普外科，陜西 延安 716000；2西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院普外科，陜西 西安 710004；3第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院心臟外科，陜西 西安 710032

結(jié)腸癌是世界范圍內(nèi)常見的惡性腫瘤，它的發(fā)病率呈現(xiàn)逐年上升趨勢，重要特征是明顯的轉(zhuǎn)移傾向，轉(zhuǎn)移機制的研究能夠為其提供治療新思路［1］。腫瘤的轉(zhuǎn)移是指腫瘤細胞從原發(fā)灶遷移到遠處并形成新病灶的過程。其主要步驟分為［2］：局部侵潤、血管內(nèi)滲、循環(huán)轉(zhuǎn)運、血管外滲、定植灶形成。這其中可逆的轉(zhuǎn)變過程上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)換（EMT）扮演了重要角色［3］。發(fā)生EMT的腫瘤細胞在形成轉(zhuǎn)移灶后，又表現(xiàn)出與原來病灶腫瘤類似的結(jié)構(gòu)［4］。據(jù)此Thiery［3］提出腫瘤轉(zhuǎn)移二階理論，該理論認為腫瘤的侵潤和循環(huán)播散需要EMT過程，而循環(huán)腫瘤細胞要經(jīng)過其逆過程間質(zhì)上皮轉(zhuǎn)換（MET）來形成轉(zhuǎn)移灶?？上У哪壳癊MT-MET時空調(diào)控具體機制不明確，無法為腫瘤的治療提供新思路［5］。

生物學(xué)實驗中標準的細胞培養(yǎng)條件下，培養(yǎng)細胞所用的氧分壓與空氣氧分壓相同，為160 mmHg，而生物體內(nèi)的氧分壓卻遠遠低于大氣中氧分壓，例如腦中為24 mmHg，肺中為110 mmHg，肝中為24 mmHg，心臟中為25 mmHg，脾中為66 mmHg，腎中為25 mmHg，微環(huán)境缺氧更是實體腫瘤顯著特征［6-7］。高氧或低氧是指細胞可利用氧的增多或減少，或環(huán)境氧分壓高于或低于臨界值的狀態(tài)?，F(xiàn)有的研究說明缺氧通過HIF-1α信號通路介導(dǎo)腫瘤細胞發(fā)生EMT并促進轉(zhuǎn)移；而高壓氧可直接抑制乳腺癌和神經(jīng)膠質(zhì)瘤的生長，這提示習(xí)慣于低氧環(huán)境的腫瘤細胞，腫瘤短時間內(nèi)無法適應(yīng)高氧環(huán)境，導(dǎo)致其生物學(xué)的變化［8］。Apostolou等［9］研究顯示，高壓氧可改變?nèi)橄侔┘毎目伤苄?，使其由EMT向MET轉(zhuǎn)變進而降低腫瘤侵襲性。提示氧環(huán)境可賦予腫瘤細胞間質(zhì)上皮可塑性，而這一作用是否可用來解釋腫瘤二次轉(zhuǎn)移復(fù)原機制還未見報道。為此本研究自2016年1月至2017年1月在體外模擬原發(fā)灶低氧環(huán)境，歸巢部位常氧或適度高氧環(huán)境，運用激光共聚焦、熒光定量逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)（qRTPCR）等方法，觀察不同氧濃度下腫瘤細胞EMT、MET形態(tài)變化，探索結(jié)腸癌發(fā)生轉(zhuǎn)移機制，為治療研究提供新依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料RIPA裂解溶液盒購于碧云天集團。二甲基亞砜（DMSO）購置于美國Sigma集團。DMEM培養(yǎng)溶液和牛胎血清購于美國HyClone集團。Transwell小室購于美國Millpore集團?；|(zhì)凝膠和One-StepRT-PCR試劑盒購自美國BD集團。鈣黏附蛋白E（E-cadherin）、波形蛋白（Vimentin）和肌動蛋白（βactin）抗體購于SantaCruz生物科技集團。

1.2細胞培養(yǎng)及處理人結(jié)腸癌細胞COLO205購于美國ATCC細胞庫。細胞培養(yǎng)于含100 ml/L胎牛血清、100 U/mL青霉素、100–g/mL鏈霉素的DMEM培養(yǎng)基。細胞培養(yǎng)到80%融合時給予干預(yù)，分為低氧組（氧濃度5%）；常氧組（氧濃度21%）；輕度高氧組（氧濃度30%）。常氧組置于普通CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，低氧及高氧組則置于自制培養(yǎng)器皿中（10 cm×15 cm×25 cm），通入含有5%、30%O2或5%CO2的混合氣體。培養(yǎng)2 d后培養(yǎng)基更換為3 mL無血清基礎(chǔ)培養(yǎng)基，置于普通CO2培養(yǎng)箱培養(yǎng)1 d后收集細胞，進行下一步試驗。

1.3免疫熒光細胞培養(yǎng)后常規(guī)鋪片，滴加0.01mol/L，pH7.4的PBS，浸潤已知抗原標本片10 min棄去。滴加適當(dāng)稀釋的抗體標本，覆蓋已知抗原標本玻片，置于有蓋搪瓷盒內(nèi)，37℃保溫30 min。玻片用0.01 mol/L，pH7.4的PBS沖洗1～2次，然后按順序過0.01 mol/L，pH7.4的PBS三缸浸泡，每缸5 min，同時給予充分振蕩。用濾紙吸去水分，滴加適當(dāng)稀釋的熒光標記的抗人球蛋白抗體，蓋搪瓷盒內(nèi)37℃保溫保持30 min。覆蓋蓋玻片，熒光顯微鏡下觀察。

1.4細胞遷移實驗使用劃痕實驗檢測中細胞的遷移能力。24孔板內(nèi)接種1×105細胞，細胞長至90%時，用無菌槍頭于單層細胞上劃出“一”字劃痕，PBS沖洗3遍，培養(yǎng)24 h，ImageProPlus5.0觀察及照相。實驗重復(fù)3次。

1.5細胞侵襲實驗使用Transwell小室檢測腫瘤細胞的侵襲能力。小室聚碳酸酯膜上鋪100–L 1∶10稀釋并4℃預(yù)冷的基質(zhì)膠（用DMEM稀釋至5 mg/mL），把鋪好膠的小室放入37℃培養(yǎng)箱中孵育4 h使基質(zhì)膠凝固并在聚碳酸酯膜上形成一層連續(xù)的薄膜。正常培養(yǎng)的結(jié)腸癌細胞并混勻于含0.1%胎牛血清白蛋白。混勻的細胞均勻種于小室中的上室，500–L含10%胎牛血清的DMEM培養(yǎng)基加入小室中的下室做趨化因子。37℃下培養(yǎng)24 h，聚碳酸酯膜取出，用棉簽輕擦去基質(zhì)膠及上室的細胞，下室的細胞4%多聚甲醛固定后結(jié)晶紫染色。100倍顯微鏡下計數(shù)5個隨機視野內(nèi)的細胞總數(shù)，實驗重復(fù)3次。

1.6逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）用TRIzol試劑提取COLO205細胞總RNA。2 μg RNA用RevertAidkit合成第一條cDNA鏈。PCR引物設(shè)計：E-cadherin上游引物：5′-CAATGGTGTCCATGTGAACA-3′，下游引物：5′-CCTCCTACCCTCCTGTTCG-3′；vimentin上游引物：5′-CGCTTCGCCAACTACAT-3′，下游引物：5′-AGGGCATCCACTTCACAG-3′；βactin上游引物：5′-ATCGTGCGTGACATTAAGGAGAAG-3′，下 游 引 物 ：5′-AGGAAGGAAGGCTGGAAGAGTG-3′。PCR反應(yīng)條件：首先94℃變性3min，再進行 35個以下循環(huán)：94 ℃ 30 s，55℃ 30 s，72℃35 s。最終72℃5 min。管家基因β-actin用作內(nèi)參照。PCR產(chǎn)物于1.5%瓊脂糖凝膠電泳后于紫外光下觀察。

1.7統(tǒng)計學(xué)方法每個實驗重復(fù)3次以上。SPSS13.0進行統(tǒng)計學(xué)分析，采用one-wayANOVA方差分析法分析數(shù)據(jù)，首先利用Levene方法進行方差齊性檢驗，確定方差齊性且整體比較組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義后進一步作多重比較，多重比較采用LSD法。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1不同氧濃度下結(jié)腸癌EMT、MET變化為了檢測低氧是否對腫瘤細胞發(fā)生EMT具有促進作用，我們利用光鏡觀察癌細胞形態(tài)顯示：低氧干預(yù)后結(jié)腸癌細胞形態(tài)明顯由圓形變成紡錘形或長梭形，排列方式較雜亂、無方向性，放射狀外觀（圖1）。激光共聚焦檢測實驗評估COLO205細胞熒光強度。結(jié)果顯示：低氧組結(jié)腸癌細胞Vimentin熒光強度高于常氧組和高氧組，而E-cadherin熒光強度低于常氧/高氧組（圖1）。提示低氧能夠增強結(jié)腸癌細胞EMT變化，而常氧/高氧可反轉(zhuǎn)EMT向MET轉(zhuǎn)化。

圖1 不同氧濃度下結(jié)腸癌EMT、MET變化（×400）

圖2 不同氧濃度下結(jié)腸癌細胞的遷移能力變化（×200）：A為低氧組；B為常氧組；C為高氧組

2.2氧濃度對結(jié)腸癌細胞的遷移能力影響為了明確低氧是否通過誘導(dǎo)結(jié)腸癌細胞發(fā)生EMT轉(zhuǎn)變來增強結(jié)腸癌細胞的遷移，我們使用劃痕實驗檢測低氧對結(jié)腸癌細胞遷移能力的影響。細胞處理48 h后，常氧/高氧誘導(dǎo)的COLO205細胞較低氧組顯示出減弱的遷移能力（圖2）。這說明低氧誘導(dǎo)結(jié)腸癌細胞發(fā)生EMT轉(zhuǎn)變后，可以相應(yīng)地增強腫瘤細胞遷移能力，而常氧/高氧反轉(zhuǎn)EMT后相應(yīng)地降低其遷移能力。

2.3氧濃度對結(jié)腸癌細胞的侵襲能力影響我們利用transwell實驗檢測來研究低氧誘導(dǎo)結(jié)腸癌細胞發(fā)生EMT轉(zhuǎn)變后是否對結(jié)腸癌細胞的侵襲的能力有影響。其結(jié)果顯示，低氧組細胞穿過薄膜的數(shù)目較常氧/高氧組明顯增多（圖3）。提示低氧誘導(dǎo)結(jié)腸癌細胞發(fā)生EMT可以相應(yīng)增強腫瘤細胞侵襲能力，而常氧/高氧反轉(zhuǎn)EMT相應(yīng)降低其侵襲能力。

圖3 不同氧濃度下結(jié)腸癌細胞的侵襲能力變化（×200）：A為低氧組；B為常氧組；C為高氧組

3 討論

EMT在腫瘤轉(zhuǎn)移中提高細胞遷移及侵襲能力，助其突破基膜，并促進血管內(nèi)滲幫助其進入循環(huán)，形成 CTCs［10-11］。腫瘤細胞發(fā)生 EMT，不但促進CTCs產(chǎn)生，還可幫助CTCs存活，為CTCs通過MET形成腫瘤轉(zhuǎn)移灶打下基礎(chǔ)［12］。目前EMT-MET時空調(diào)控的確切機制尚不明確。在此研究中我們證實腫瘤原發(fā)處低氧微環(huán)境可調(diào)控細胞EMT發(fā)生，上調(diào)Vimentin表達，下調(diào)E-cadherin表達，并且增強侵襲能力，而常氧/高氧環(huán)境下則發(fā)生相反的現(xiàn)象。此結(jié)果證實我們的假說，即已習(xí)慣乏營養(yǎng)環(huán)境下生存的腫瘤細胞進入歸巢富氧微環(huán)境后，失去低氧誘導(dǎo)，迫使腫瘤細胞發(fā)生EMT-MET轉(zhuǎn)換，形成新的轉(zhuǎn)移灶，一旦腫瘤在空間上生長到一定體積后，又建立新的乏氧微環(huán)境，再次形成新的惡性循環(huán)，以此方式不停的促進腫瘤進展。

實體腫瘤局部微環(huán)境最顯著的特點是缺氧。已經(jīng)證實結(jié)腸癌中存在明顯的缺氧狀態(tài)，其缺氧程度甚至比其他實體腫瘤更嚴重。這種缺氧環(huán)境與腫瘤侵襲特征密切相關(guān)［13］。低氧的腫瘤微環(huán)境下腫瘤細胞的生物學(xué)行為更趨向惡性，更具侵襲性，并治療的表現(xiàn)強抵抗性。在缺氧可以影響腫瘤細胞的上皮間質(zhì)可塑性，誘導(dǎo)EMT發(fā)生［14］。Cano等［15］通過體內(nèi)外實驗證實缺氧通過HIF-1α上調(diào)Slug的表達，誘導(dǎo)EMT從而增強腫瘤細胞侵襲轉(zhuǎn)移能力。我們的研究結(jié)果和上述結(jié)果一致，也再次證實了此結(jié)論。在此基礎(chǔ)上本次試驗繼續(xù)在富氧環(huán)境下觀察到MET現(xiàn)象，這是本研究閃亮點。提示氧濃度的差異在腫瘤轉(zhuǎn)移的不同階段，EMT和MET之間轉(zhuǎn)換具有重要作用。這種原發(fā)灶低氧環(huán)境和歸巢部位富氧環(huán)境的差異有可能是EMT-MET轉(zhuǎn)換的新視角。更深入的機制研究仍需進一步驗證。

在腫瘤轉(zhuǎn)移播散的過程中，EMT可賦予腫瘤細胞新特性，這主要包括增加細胞遷移和侵襲能力，使其突破基膜，并通過促進血管內(nèi)滲幫助腫瘤細胞播散進入循環(huán)，形成CTCs。Thiery［16］等發(fā)生EMT的細胞與未發(fā)生EMT的細胞均可以形成腫瘤，但只有前者侵入相鄰組織和血管，提示癌細胞發(fā)生EMT是產(chǎn)生CTCs的必要條件。播散到遠處CTCs適應(yīng)周圍基質(zhì)環(huán)境后，還會再經(jīng)歷一個MET轉(zhuǎn)換，重新獲得增殖特性，進而形成腫瘤轉(zhuǎn)移灶［17］。目前研究這種可逆并且瞬時的EMT-MET轉(zhuǎn)換將是一個重要科研方向。作為一個新的研究領(lǐng)域，無疑有大量未知問題亟待解決。顯然，深入研究CTCs-EMT產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的機制及其生物學(xué)意義必將有助于揭開腫瘤發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移之謎，并且可為制定新的腫瘤靶向治療策略提供依據(jù)。

總之，上皮腫瘤細胞需要經(jīng)過一個動態(tài)EMT/MET過程才能形成微轉(zhuǎn)移，這其中微環(huán)境氧濃度的差異發(fā)揮作用，針對EMT逆轉(zhuǎn)過程可能成為阻止腫瘤細胞復(fù)發(fā)的新途徑。在不久的將來，加強我們對于腫瘤轉(zhuǎn)移過程中EMT/MET動態(tài)過程分子調(diào)控的理解可以為我們提供更有效的手段去根除腫瘤轉(zhuǎn)移。（本文圖1～3見插圖9-2）