朱雯靜,楊 玥,郝溥辰,李德龍,趙 森,陳培瓊,俞 亮,薛 冉,史 亮,王子乾,呂福東,馮驥良
1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京佑安醫(yī)院病理科,北京 100069;2.首都醫(yī)科大學(xué)七年制研究生;3.中國(guó)人民解放軍第306醫(yī)院;4.西北民族大學(xué)醫(yī)學(xué)院;5.首都醫(yī)科大學(xué)病理學(xué)教研室
肝細(xì)胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)是世界上第六大多發(fā)癌癥,死亡率居腫瘤死亡率第三位[1]。42.5%的原發(fā)性肝癌發(fā)生在中國(guó)大陸,它已成為我國(guó)第二位惡性腫瘤病因[2]。近年來(lái),腫瘤干細(xì)胞學(xué)說(shuō)的提出為腫瘤研究與治療帶來(lái)了希望。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為[3-5],腫瘤中存在一小群表達(dá)干細(xì)胞特性的細(xì)胞,具有無(wú)限增殖和調(diào)控腫瘤生長(zhǎng)的能力。這些細(xì)胞能夠逃避常規(guī)治療方案的殺傷作用,從而導(dǎo)致疾病的復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移[6-7]。腫瘤干細(xì)胞具有和成體干細(xì)胞相似的自我更新和自我分化潛能,應(yīng)用正常干細(xì)胞與腫瘤干細(xì)胞的這一相似之處,人們開(kāi)始以正常干細(xì)胞的標(biāo)志分子來(lái)篩選腫瘤干細(xì)胞。已報(bào)道的存在腫瘤干細(xì)胞的組織類(lèi)型腫瘤有急性髓性白血病、神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤、乳腺癌和前列腺癌等[8-11]。
腫瘤干細(xì)胞學(xué)說(shuō)可能是一種具有普遍性的腫瘤發(fā)生機(jī)制,以往研究證實(shí)肝癌中也存在肝癌干細(xì)胞[12-13]。它們與正常肝干細(xì)胞共同表達(dá)一些表面標(biāo)志物,如 AFP、CD133、ABCG2、CK7、Thy-1、上皮細(xì)胞黏附分子(EpCAM)、CD44等[14-18]。我們以往的研究發(fā)現(xiàn)5-FU作用BEL-7402肝癌細(xì)胞后細(xì)胞間黏附分子-1/CD54和神經(jīng)細(xì)胞黏附分子(NCAM)/CD56陽(yáng)性細(xì)胞比例增加,且通過(guò)克隆形成實(shí)驗(yàn)證實(shí)ICAM-1和NCAM可能成為肝癌干細(xì)胞的候選標(biāo)志物[19]。但是肝癌具有明顯的異質(zhì)性[15],不同肝癌臨床病例和不同肝癌細(xì)胞系中腫瘤細(xì)胞之間的細(xì)胞生物學(xué)特性不同,對(duì)藥物作用的反應(yīng)也不相同。我們?cè)?-FU作用BEL-7402細(xì)胞系的模型中發(fā)現(xiàn)腫瘤干細(xì)胞的富集現(xiàn)象,并推測(cè)在臨床治療中十分常見(jiàn)的5-FU化療后耐藥所引起的腫瘤復(fù)發(fā),很有可能與肝癌干細(xì)胞逃逸5-FU的單藥物殺傷有關(guān)。但5-FU在其他肝癌細(xì)胞系中是否也具有同樣作用還不得而知。
本研究中我們選擇了SMMC-7721細(xì)胞系。與BEL-7402細(xì)胞系比較,雖然兩者形態(tài)學(xué)特點(diǎn)相似,染色體個(gè)數(shù)相近,AFP均陽(yáng)性表達(dá),且兩者接種裸鼠均可形成瘤結(jié)節(jié),但BEL-7402在裸鼠移植成瘤實(shí)驗(yàn)中需要的瘤細(xì)胞數(shù)目更少且生長(zhǎng)速度更快[20-21]。這些證據(jù)表明,與BEL-7402細(xì)胞系比較,SMMC-7721細(xì)胞系可能惡性轉(zhuǎn)化自較成熟的肝細(xì)胞。因此,本研究采用了SMMC-7721細(xì)胞系,同時(shí)引入了更多的腫瘤干細(xì)胞標(biāo)志物,如 NCAM、ICAM-1、EpCAM、CD133及 ABCG2,旨在進(jìn)一步探討肝癌干細(xì)胞逃避藥物殺傷與臨床化療失敗的關(guān)系,為肝癌的治療提供新的思路。
1.1 材料
1.1.1 細(xì)胞系:人肝癌細(xì)胞系SMMC-7721由我?;A(chǔ)醫(yī)學(xué)院安威教授惠贈(zèng)。
1.1.2 試劑:RPMI-1640細(xì)胞培養(yǎng)基購(gòu)于 Gibco公司,胎牛血清購(gòu)自杭州四季清公司,CCK-8細(xì)胞計(jì)數(shù)試劑盒購(gòu)自日本同仁化學(xué)研究所,5-FU試劑購(gòu)自上海旭東海普藥業(yè)公司。
1.1.3 抗體:ICAM-1-異硫氰酸熒光素(FITC)、Ep-CAM-藻紅蛋白(PE)、NCAM-Cy5單克隆熒光抗體購(gòu)自美國(guó)ABCAM公司,CD133-FITC單克隆熒光抗體購(gòu)自北京博奧森生物技術(shù)有限公司
1.2 方法
1.2.1 檢測(cè)5-FU對(duì)SMMC-7721細(xì)胞系增殖的影響:取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的SMMC-7721肝癌細(xì)胞株,0.25%胰蛋白酶消化后以每孔1×104個(gè)細(xì)胞接種于96孔細(xì)胞培養(yǎng)板中,設(shè)置6組不同5-FU濃度的實(shí)驗(yàn)組,每組每個(gè)時(shí)間點(diǎn)設(shè)置四個(gè)復(fù)孔。調(diào)節(jié)5-FU終濃度分別為0.1、1、10、25、50 μg/mL。同時(shí)設(shè)不加任何藥物的對(duì)照組。5%CO2,37℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。分別在培養(yǎng)12、24、36、48 h加入CCK-810 μL/孔,繼續(xù)培養(yǎng)2 h后以450 nm波長(zhǎng)檢測(cè)每孔吸光度值。計(jì)算藥物5-FU對(duì)SMMC-7721細(xì)胞增殖的影響。
1.2.2 測(cè)定5-FU作用SMMC-7721細(xì)胞系后對(duì)細(xì)胞周期的影響:取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的 SMMC-7721細(xì)胞,0.25%胰蛋白酶消化,1000 r/min離心 10 min,用含10%胎牛血清培養(yǎng)基RPMI-1640配成細(xì)胞懸浮液,稀釋至5×104個(gè)細(xì)胞/mL。以5-FU終濃度為10 μg/mL的RPMI-1640培養(yǎng)基進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng),同時(shí)設(shè)置不含藥物的對(duì)照組。48 h后取106~107個(gè)細(xì)胞4℃ 70%冷乙醇固定,加入含2%RNase和1‰Triton×100的PBS緩沖液1 mL,水浴30 min,PI染色,流式細(xì)胞儀檢測(cè)細(xì)胞周期。
1.2.3 SMMC-7721細(xì)胞系表面標(biāo)志物陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)率的檢測(cè):取培養(yǎng)48 h的實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組細(xì)胞,培養(yǎng)方法與1.2.2相同。0.25%胰蛋白酶消化,離心,PBS稀釋至細(xì)胞密度為2×106/mL。取流式細(xì)胞檢測(cè)加樣管10支,每支加入10 μL HEPES溶液,20 μL 滅活胎牛血清,其中5支每支加入實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞懸液100 μL,另5支加入對(duì)照組細(xì)胞懸液100 μL。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組均分別加入EpCAM-PE熒光抗體3 μL,NCAM-Cy5熒光抗體 1 μL,ICAM-1-FITC 熒光抗體 4 μL,CD133-FITC熒光抗體10 μL和 ABCG2-PE熒光抗體2 μL,1500 r/min離心兩次,每次3 min。500 μL PBS懸浮,400目濾網(wǎng)過(guò)濾,流式細(xì)胞儀檢測(cè)。
1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用SPSS 13.0軟件進(jìn)行處理,所有數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差()表示,n≥3,細(xì)胞周期及表面標(biāo)志物檢測(cè)采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),增殖曲線經(jīng)Mauchly“球?qū)ΨQ(chēng)”檢驗(yàn)后采用重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)方差分析,檢驗(yàn)水準(zhǔn)均為α=0.05。
2.1 5-FU處理前后細(xì)胞增殖能力的變化 CCK-8試劑盒細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)Mauchly“球?qū)ΨQ(chēng)”檢驗(yàn)結(jié)果P=0.57,接受“球?qū)ΨQ(chēng)”假設(shè)。各時(shí)間點(diǎn)之間吸光度相比,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000);組間相比較,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000);藥物濃度與藥物作用時(shí)間之間存在交互作用(P=0.000)。說(shuō)明5-FU的藥物毒性使SMMC-7721細(xì)胞系增殖明顯減弱,5-FU對(duì)各實(shí)驗(yàn)組的細(xì)胞增殖水平的抑制作用具有時(shí)間依賴(lài)性以及劑量依賴(lài)性,即隨著濃度的增加和作用時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)(見(jiàn)圖1)。
2.2 5-FU藥物處理前后細(xì)胞周期的變化(n=3) 使用10 μg/mL的5-FU濃度進(jìn)行細(xì)胞周期與陽(yáng)性細(xì)胞比例變化的研究,作用時(shí)間為48 h。流式細(xì)胞儀細(xì)胞周期測(cè)定實(shí)驗(yàn)表明,5-FU處理使SMMC-7721細(xì)胞的細(xì)胞周期分布變化明顯,實(shí)驗(yàn)組G0/G1期細(xì)胞比例為 83.917% ±12.996%,較對(duì)照組 46.617% ±18.857%明顯升高,S期細(xì)胞比例由對(duì)照組的50.510% ±16.405% 下降至實(shí)驗(yàn)組的 15.360% ±13.517%,G2/M期細(xì)胞比例由對(duì)照組的2.872% ±2.824%下降至實(shí)驗(yàn)組的0.722% ±0.711%。表明5-FU對(duì)SMMC-7721細(xì)胞周期各期細(xì)胞比例均有影響,G0/G1期、S期和G2/M期在5-FU作用前后差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),G0/G1期阻滯明顯(見(jiàn)圖2、圖3)。
圖1 不同濃度的5-FU作用于SMMC-7721細(xì)胞系后細(xì)胞生長(zhǎng)曲線的變化Fig 1 Treatment with 5-FU on the growth of SMMC-7721 cells with different concentrations
圖2 10 μg/mL 5-FU作用SMMC-7721細(xì)胞前后對(duì)照組及實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞周期變化 A:對(duì)照組細(xì)胞周期分布:G0/G1期:46.617% ±18.857%;S 期:50.510% ±16.405%;G2/M 期:2.872% ±2.824%;B:實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞周期分布:G0/G1期:83.917% ±12.996%;S 期:15.360% ±13.517%;G2/M 期:0.722% ±0.711%Fig 2 Effects of 5-FU on the cell cycle distribution of SMMC-7721 with the concentration of 10 μg/mL for 48 h
圖3 10 μg/mL 5-FU作用48 h處理前后,SMMC-7721細(xì)胞細(xì)胞周期分布變化(*P <0.05,**P <0.01)Fig 3 Treatment with 5-FU on the cell cycle distribution of SMMC-7721 cells with the concentration of 10 μg/mL for 48 h
2.3 5-FU藥物處理前后細(xì)胞表面標(biāo)志物表達(dá)比率變化 流式細(xì)胞儀特定表面抗原測(cè)定實(shí)驗(yàn)表明,5-FU處理使SMMC-7721細(xì)胞表面的干細(xì)胞標(biāo)志物陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)率變化明顯。實(shí)驗(yàn)組 NCAM、ICAM-1、EpCAM、CD133、ABCG2陽(yáng)性細(xì)胞比例分別為7.2% ±0.1%,94.6% ±0.1%、5.4% ±0.3%、17.5% ±0.4%、1.8% ± 0.1%。較對(duì)照組分別為 0.6% ± 0、78.0% ±0.9%、3.9% ±0.1%、8.2% ± 0.6%、0.3% ± 0.1%,均明顯升高,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。表明5-FU處理能夠提高殘存細(xì)胞中表達(dá)這些標(biāo)志物的細(xì)胞比例(見(jiàn)圖4、圖5)。
圖4 10 μg/mL 5-FU作用SMMC-7721細(xì)胞48 h后,幾種肝癌干細(xì)胞標(biāo)志物陽(yáng)性細(xì)胞的表達(dá)變化(*P<0.05,**P<0.01)Fig 4 Effects of 5-FU on the positive cells proportion of SMMC-7721 with the concentration of 10 μg/mL for 48 h
5-FU是臨床上治療肝癌的一線化療藥物。以往研究表明,5-FU可以誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡并抑制細(xì)胞增殖[22-25],但在臨床肝癌治療中對(duì)5-FU的耐藥現(xiàn)象比較普遍,分子機(jī)理尚不明確。本研究發(fā)現(xiàn)5-FU對(duì)細(xì)胞增殖的抑制作用存在時(shí)間依賴(lài)性和劑量依賴(lài)性,但實(shí)驗(yàn)組各濃度5-FU均無(wú)法完全抑制SMMC-7721細(xì)胞的生長(zhǎng),始終會(huì)有部分細(xì)胞逃逸藥物的殺傷作用。在這些殘存的腫瘤細(xì)胞中,腫瘤干細(xì)胞表面標(biāo)志物NCAM、ICAM-1、EpCAM、CD133陽(yáng)性細(xì)胞比例均較未加藥對(duì)照組明顯升高,表明同5-FU作用BEL-7402肝癌細(xì)胞模型一樣[19],一定劑量5-FU作用 SMMC-7721細(xì)胞后,殘存細(xì)胞中的腫瘤干細(xì)胞的比例明顯增加。NCAM、ICAM-1、EpCAM是三種細(xì)胞黏附分子,在腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移中作用十分重要[26-28]。CD133是一種腫瘤干細(xì)胞的廣譜標(biāo)志物,尤其是在分化差的腫瘤組織中CD133表達(dá)更強(qiáng)。通過(guò)對(duì)兩細(xì)胞系比較研究發(fā)現(xiàn),雖然各細(xì)胞系5-FU單藥物作用前后上述4種表面標(biāo)志物陽(yáng)性細(xì)胞比例存在顯著差異,但在BEL-7402與SMMC-7721兩細(xì)胞系之間,處理前后細(xì)胞表面標(biāo)志物表達(dá)率存在不同程度變化。不同生物學(xué)特性的腫瘤細(xì)胞系之間其腫瘤干細(xì)胞的比例和種類(lèi)可能是不同的。正是由于腫瘤干細(xì)胞異質(zhì)性的存在而導(dǎo)致了臨床上肝細(xì)胞癌不同患者之間腫瘤的侵襲、轉(zhuǎn)移的能力不同。這提示未來(lái)對(duì)腫瘤的個(gè)體化治療具有重要意義。
圖5 10 μg/mL 5-FU作用SMMC-7721細(xì)胞48 h處理前后對(duì)照組及實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞表面標(biāo)志物陽(yáng)性率比較A、B:NCAM;C、D:ICAM-1;E、F:EpCAM;G、H:CD133;I、J:ABCG2;A、C、E、G、I:對(duì)照組;B、D、F、H、J:實(shí)驗(yàn)組Fig 5 Several surface markers expression profiles in control and test group treated with 5-FU with the concentration of 10 μg/mL for 48 h
通過(guò)分析5-FU作用后的殘存細(xì)胞的周期分布發(fā)現(xiàn),靜息期(G0/G1期)細(xì)胞在細(xì)胞群中比例明顯上升。5-FU主要通過(guò)抑制細(xì)胞內(nèi)胸腺嘧啶核苷酸合成酶(TS)的活性,阻斷尿嘧啶脫氧核苷向胸腺嘧啶脫氧核苷的轉(zhuǎn)變,從而影響細(xì)胞內(nèi)的DNA與RNA的合成[22]。它對(duì)細(xì)胞周期中的各期都有毒性作用,尤其是S期,殘存細(xì)胞多處于G0/G1期[29]。大量研究表明,腫瘤干細(xì)胞與人正常干細(xì)胞相似,處于靜息的G0期。ABCG2屬于ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族成員之一,在許多組織類(lèi)型的正常干細(xì)胞膜上高表達(dá),通過(guò)“ABCG2泵”排出藥物以避免藥物對(duì)自身的殺傷作用[30]。5-FU作用SMMC-7721后殘存腫瘤細(xì)胞中ABCG2陽(yáng)性細(xì)胞比例增加提示殘存細(xì)胞群體具有腫瘤干細(xì)胞特性。同時(shí),殘存細(xì)胞群體中ICAM-1和NCAM陽(yáng)性細(xì)胞比例的增加表明這兩個(gè)黏附因子可以作為肝癌干細(xì)胞標(biāo)志物[31-32]。
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