懸浮培養(yǎng)腫瘤細(xì)胞的生物鐘同步化細(xì)胞模型建立及其在擇時(shí)給藥研究中的應(yīng)用

秦文娟，潘梅萍，蘇澤杰，侯茹蓉，陸海杰,3*，樂志操

(1.廈門大學(xué)附屬中山醫(yī)院腫瘤放療科，福建廈門361004；2.福州大學(xué)生命科學(xué)研究所，福建福州350116；3.福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院放療科，福建福州35001;4.深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部，卡爾森國(guó)際腫瘤中心，廣東深圳518060)

生物鐘，即對(duì)生命活動(dòng)的晝夜節(jié)律控制，在多方面影響人體健康[1-2].生物鐘節(jié)律的破壞與腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)，對(duì)腫瘤治療也有重要影響[1-4].目前有很多研究試圖開發(fā)調(diào)控生物鐘的小分子藥物，以促進(jìn)對(duì)代謝疾病和腫瘤的治療[5-8].

中樞生物鐘由大腦海馬區(qū)的視交叉上核控制，在光照的影響下形成周期性的基因表達(dá)模式，并通過激素及其他信號(hào)分子調(diào)控外周組織的生物鐘[1,9].中樞生物鐘與外周組織的生物鐘如何偶聯(lián)并受到調(diào)控是一個(gè)重要問題，但具體機(jī)制至今仍不清楚.通常認(rèn)為生物鐘節(jié)律在基因的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性方面受到多重反饋機(jī)制的調(diào)控，其中最重要的是CLOCK與BMAL1組成的轉(zhuǎn)錄活化因子復(fù)合體，以及PERIOD(PER)與CRYPTOCHROME(CRY)組成的轉(zhuǎn)錄抑制因子復(fù)合體，共同調(diào)節(jié)相關(guān)基因的周期性表達(dá)[1].此外，神經(jīng)肽、激素(如褪黑素和甲狀腺素)、環(huán)磷酸腺苷(cAMP)、鈣離子信號(hào)、核因子κB(NF-κB)信號(hào)等都可以調(diào)節(jié)生物鐘的周期性和相關(guān)基因的表達(dá)[10-15].

雖然生物鐘相關(guān)基因在每個(gè)細(xì)胞中都有表達(dá)，但是因其節(jié)律是獨(dú)立調(diào)控的，故在體外培養(yǎng)的情況下缺乏整體的同步化機(jī)制.為此，有研究開發(fā)了單細(xì)胞報(bào)告基因技術(shù)，在單細(xì)胞水平進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)[8]，但該方法并不容易進(jìn)行.為了在培養(yǎng)腫瘤細(xì)胞的群體水平觀察到周期性的生物鐘相關(guān)基因表達(dá)，有研究者提出通過添加Forskolin活化cAMP信號(hào)通路，對(duì)培養(yǎng)細(xì)胞的生物鐘進(jìn)行同步化處理[13].為了更好地觀察到周期性的生物鐘相關(guān)基因表達(dá)，人們還開發(fā)了增強(qiáng)生物鐘節(jié)律的小分子藥物如Nobiletin，以提高觀察效果[8].然而，在體外培養(yǎng)的細(xì)胞群體中仍然難以實(shí)現(xiàn)周期性的生物鐘相關(guān)基因表達(dá).

生物鐘對(duì)腫瘤治療的效果及預(yù)后有重要影響[16-22].根據(jù)生物鐘調(diào)節(jié)組織細(xì)胞活性的作用，人們形成了時(shí)辰放化療的概念，即根據(jù)特定的生物節(jié)律給予治療，可以看到腫瘤細(xì)胞不同的反應(yīng)情況，有望增強(qiáng)治療效果并降低副作用[23-27].在體外培養(yǎng)系統(tǒng)中獲得并維持生物鐘同步化的腫瘤細(xì)胞是研究的一個(gè)難點(diǎn).為此，本研究采用懸浮培養(yǎng)的方法，維持細(xì)胞間通訊，以有效實(shí)現(xiàn)生物鐘同步化，同時(shí)將其用于進(jìn)一步的擇時(shí)給藥實(shí)驗(yàn)以評(píng)估化療藥物的時(shí)辰反應(yīng).

1 材料和方法

1.1 材 料

人結(jié)腸癌細(xì)胞HCT116購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院細(xì)胞庫(kù)(上海，目錄號(hào)TCHu 99)，細(xì)胞培養(yǎng)采用的DMEM(Dulbecco’s modified eagle medium)購(gòu)自ThermoFisher公司(Gibco)，胎牛血清購(gòu)自Hyclone公司.Forskolin購(gòu)自Sigma-Aldrich公司(F6886)，Nobiletin購(gòu)自MedChemExpress公司(HY-N0155)，提取細(xì)胞總RNA采用的Trizol試劑購(gòu)自南京諾維贊生物科技有限公司(R401-01)，反轉(zhuǎn)錄試劑盒(RevertAid First Strand cDNA Synthesis Kit)購(gòu)自Fermentas公司(K1622)，實(shí)時(shí)熒光定量PCR(qRT-PCR)反應(yīng)試劑購(gòu)自北京康為世紀(jì)生物科技有限公司(CW0957)，其他生化試劑均購(gòu)自生工生物工程(上海)股份有限公司.qRT-PCR在Roche LC-480 qRT-PCR儀上完成，細(xì)胞觀察采用Nikon Eclipse Ti倒置熒光顯微鏡，臺(tái)盼蘭(上海碧云天生物技術(shù)有限公司，C0011)活性染色照相采用Leica DM6000B正置顯微鏡.

1.2 細(xì)胞貼壁培養(yǎng)

HCT116細(xì)胞在完全DMEM(含10%(體積分?jǐn)?shù))胎牛血清)中，于37 ℃、5%(體積分?jǐn)?shù))CO2的濕潤(rùn)培養(yǎng)箱中培養(yǎng).細(xì)胞長(zhǎng)滿后以1∶3稀釋傳代至24孔板中.待細(xì)胞長(zhǎng)滿后，加入含10 μmol/L Forskolin的完全DMEM進(jìn)行2 h同步化處理，然后用磷酸鹽緩沖液(PBS)洗滌一次，再加入含5 μmol/L Nobiletin的DMEM完全培養(yǎng)基增強(qiáng)生物鐘基因表達(dá).每4～6 h取樣一次，各孔作為一個(gè)獨(dú)立樣品.

1.3 細(xì)胞懸浮培養(yǎng)

懸浮培養(yǎng)采用6 cm 細(xì)菌培養(yǎng)板(Biofil,廣州潔特生物過濾有限公司)，每板加入數(shù)量為2×106的HCT116細(xì)胞.培養(yǎng)2 d后，加入含10 μmol/L Forskolin的完全DMEM進(jìn)行2 h同步化處理，然后用PBS洗滌一次，加入含5 μmol/L Nobiletin的完全DMEM增強(qiáng)生物鐘基因表達(dá).每6 h取樣一次，取樣時(shí)以200 μL吸頭取約50 μL細(xì)胞培養(yǎng)液進(jìn)行基因表達(dá)分析.細(xì)胞活性通過0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))臺(tái)盼蘭染色檢測(cè)，按照試劑盒說明操作.

1.4 細(xì)胞總RNA提取和qRT-PCR

細(xì)胞總RNA提取采用Trizol法，按照試劑盒說明操作.總RNA經(jīng)DNA酶消化后反轉(zhuǎn)錄為cDNA.經(jīng)凝膠電泳檢驗(yàn)基因擴(kuò)增的特異性后，進(jìn)行qRT-PCR基因表達(dá)定量分析.PCR條件：95 ℃變性5 min；95 ℃ 30 s，60 ℃ 30 s，72 ℃ 30 s，共40個(gè)循環(huán)；72 ℃延伸10 min.采用β-ACTIN作為參比基因，以2-ΔΔCT方法計(jì)算基因的相對(duì)表達(dá)量[28].所用引物及序列見表1.

表1 本研究所用引物及其序列Tab.1 Primers used in this study and their sequences

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示.差異顯著性分析采用雙尾t-檢驗(yàn)，顯著性水平表示如下：***p<0.001.

2 結(jié)果與分析

2.1 HCT116細(xì)胞模型中生物鐘基因的動(dòng)態(tài)表達(dá)情況

采用HCT116細(xì)胞為模型，檢測(cè)其生物鐘相關(guān)基因的動(dòng)態(tài)表達(dá)情況.對(duì)照組中，傳代后的細(xì)胞未進(jìn)行處理，在不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行取樣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)CLOCK、BMAL1、PER2基因的表達(dá)均未表現(xiàn)出明顯的周期性特征(圖1(a)～(c)).當(dāng)以10 μmol/L Forskolin處理2 h對(duì)細(xì)胞進(jìn)行生物鐘同步化后，再繼續(xù)培養(yǎng)于含5 μmol/L Nobiletin的條件下，可以看到CLOCK和PER2的表達(dá)表現(xiàn)出一定的24 h周期性特征(圖1(d)和(f))，但BMAL1的表達(dá)仍沒有同步化(圖1(e)).因此，在貼壁培養(yǎng)的腫瘤細(xì)胞模型中，很難在群體水平獲得周期性的生物鐘基因表達(dá)模式.

(a～c)對(duì)照組；(d～f)同步化處理組.圖1 同步化處理對(duì)貼壁培養(yǎng)的HCT116細(xì)胞生物鐘基因表達(dá)的影響Fig.1Impact of synchronization on the biological clock gene expression in monolayer cultured HCT116 cells

2.2 懸浮培養(yǎng)的HCT116細(xì)胞中生物鐘基因表達(dá)情況

為了維持培養(yǎng)細(xì)胞間的聯(lián)系和通訊，參考胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)中在低黏附的細(xì)胞培養(yǎng)板上形成胚樣小體以進(jìn)行體外細(xì)胞分化的方法[29]，將腫瘤細(xì)胞在低黏附的細(xì)菌培養(yǎng)皿中進(jìn)行懸浮培養(yǎng)，使細(xì)胞保持在同樣的環(huán)境中，且可以定時(shí)多次取樣分析.在這種培養(yǎng)條件下，細(xì)胞保持懸浮狀態(tài)，與同時(shí)期貼壁培養(yǎng)的細(xì)胞相比數(shù)目略有減少，但仍保持正常擴(kuò)增(圖2)，可見該方法可以保持腫瘤細(xì)胞的活性.

圖2 懸浮培養(yǎng)與貼壁培養(yǎng)的HCT116細(xì)胞生長(zhǎng)情況Fig.2Growth of suspension and monolayer cultured HCT116 cells

對(duì)懸浮培養(yǎng)的HCT116細(xì)胞進(jìn)行基因表達(dá)檢測(cè).在未經(jīng)Forskolin 同步化處理的懸浮培養(yǎng)細(xì)胞中，周期性的生物鐘基因表達(dá)不明顯(圖3(a)～(c))；經(jīng)同步化處理后，3個(gè)生物鐘相關(guān)基因CLOCK、BMAL1和PER2均表現(xiàn)出一定周期性的動(dòng)態(tài)表達(dá)(圖3(d)～(f)).可見通過同步化處理以后，懸浮培養(yǎng)的腫瘤細(xì)胞可以表現(xiàn)出生物鐘的節(jié)律性.

2.3 懸浮培養(yǎng)的HCT116細(xì)胞對(duì)化療藥物的時(shí)辰反應(yīng)

(a～c)對(duì)照組；(d～f)同步化處理組.圖3 懸浮培養(yǎng)的HCT 116細(xì)胞生物鐘基因的周期性表達(dá)Fig.3Periodic rhythm expression of biological clock genes in suspension cultured HCT116 cells

(a)同步化的細(xì)胞對(duì)化療藥物5-FU的時(shí)辰反應(yīng);(b)未同步化的細(xì)胞(1 h)對(duì)化療藥物5-FU的反應(yīng)差異.***p<0.001.圖4 HCT116細(xì)胞對(duì)化療藥物5-FU的時(shí)辰反應(yīng)差異Fig.4Differences in circadian clock response of HCT116 cells to chemotherapeutic drug 5-FU

為檢驗(yàn)上述懸浮培養(yǎng)方法是否能用于評(píng)價(jià)化療藥物的時(shí)辰反應(yīng)，將治療結(jié)直腸腫瘤的藥物5-氟尿嘧啶(5-FU)在不同節(jié)律點(diǎn)加入，檢測(cè)其引起腫瘤細(xì)胞反應(yīng)的差異，包括對(duì)生長(zhǎng)和凋亡基因P21和FAS的表達(dá)調(diào)控[23-25].結(jié)果顯示：在同步化處理4或20 h后加入5-FU均不能引起顯著的反應(yīng)，而在同步化處理12 h 后加入5-FU則引起了P21和FAS基因表達(dá)水平的顯著上升(圖4(a))，由此表明懸浮培養(yǎng)的腫瘤細(xì)胞可以表現(xiàn)出對(duì)化療藥物的時(shí)辰反應(yīng)；如不添加Forskolin進(jìn)行生物鐘同步化處理，則5-FU 不能引起P21和FAS基因的表達(dá)變化(圖4(b))，這可能是因?yàn)榕囵B(yǎng)體系中加入的Nobiletin具有抗氧化劑的功能，對(duì)細(xì)胞起到了一定的保護(hù)作用.在未同步化的細(xì)胞培養(yǎng)體系中，如不添加Nobiletin，可以看到P21基因的表達(dá)變化不顯著，而FAS基因的表達(dá)明顯上升(圖4(b))，說明化療藥物5-FU本身可在1 h內(nèi)引起明顯的基因表達(dá)變化，但不同基因的表達(dá)動(dòng)態(tài)存在一些差異.

3 討 論

3.1 生物鐘的同步化新方法

營(yíng)養(yǎng)、激素和神經(jīng)肽等分子都是調(diào)控外周生物鐘的分子[10-15]，但在體外培養(yǎng)的腫瘤細(xì)胞中缺乏這些校準(zhǔn)和調(diào)控因素.因此，盡管每個(gè)細(xì)胞都表達(dá)生物鐘相關(guān)基因，但是在群體水平上這些生物鐘無法同步化且不能形成周期性的基因表達(dá)模式.本研究結(jié)果表明，即使進(jìn)行了同步化處理，若細(xì)胞培養(yǎng)于不同條件(如不同培養(yǎng)孔)，一旦失去相互通訊和群體水平的調(diào)控，其周期性節(jié)律也會(huì)很快丟失.因此，推測(cè)生物鐘的同步化與體內(nèi)各組織器官和細(xì)胞間的通訊密切相關(guān).

為了實(shí)現(xiàn)體外培養(yǎng)的腫瘤細(xì)胞中生物鐘相關(guān)基因的周期性表達(dá)，本研究借鑒了胚胎干細(xì)胞體外分化所采用的懸浮培養(yǎng)方法[29].另有研究提出對(duì)腫瘤組織進(jìn)行類器官(organoid)培養(yǎng)，也是在類似低黏附的情況下進(jìn)行細(xì)胞團(tuán)懸浮培養(yǎng)[30-31].本研究結(jié)果表明，在這種情況下對(duì)細(xì)胞進(jìn)行同步化處理后，能夠較好地保持一致的生物鐘基因表達(dá)動(dòng)態(tài).腫瘤細(xì)胞獲得不依賴于基質(zhì)的生存和遷移能力后，在不貼壁的情況下仍然能夠保持正常生長(zhǎng)和活力，這與正常組織細(xì)胞有較大區(qū)別，也是本研究中能夠進(jìn)行懸浮培養(yǎng)的保障.本研究的方法在原理上與這些方法類似，但操作簡(jiǎn)單，且對(duì)培養(yǎng)板的材料選擇不需要具有細(xì)胞貼壁的功能，可更加廣泛地應(yīng)用.

3.2 時(shí)辰放化療

前期較多報(bào)道[23-27]發(fā)現(xiàn)不同時(shí)間段給藥后，腫瘤對(duì)放化療的反應(yīng)有較大差異，因而形成了時(shí)辰放化療的概念.許多臨床實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)化療模式相比，包括卵巢癌[32]、肺癌[33]、膠質(zhì)母細(xì)胞瘤[34]等疾病，時(shí)辰化療在不降低療效的前提下，明顯降低了藥物毒副作用，提高了治療的依從性.這與機(jī)體自身的生物鐘節(jié)律相關(guān)，也與藥物的代謝動(dòng)力學(xué)密切相關(guān).選擇合適的用藥時(shí)機(jī)，有望達(dá)到最大化的殺傷腫瘤細(xì)胞效果和最小的毒副作用，從而改善患者生存質(zhì)量.

5-FU是治療消化道腫瘤常用的化療藥.研究表明，5-FU代謝的限速酶二氫嘧啶脫氫酶(DPD)的晝夜分泌具有明顯的節(jié)律性，從22：00—次日10：00 連續(xù)12 h給藥，最佳給藥時(shí)間是凌晨4：00，其活性較其他時(shí)間提高了50%以上[23].本研究也發(fā)現(xiàn)，在同步化處理12 h 后，5-FU引起了最強(qiáng)的P21和FAS反應(yīng)，而其他時(shí)間給藥或未同步化處理的細(xì)胞則沒有明顯反應(yīng).因此，生物節(jié)律確實(shí)可以導(dǎo)致不同的藥物反應(yīng)，為時(shí)辰化療的概念提供了支持證據(jù).后續(xù)研究將針對(duì)生物節(jié)律如何導(dǎo)致藥物反應(yīng)差別進(jìn)一步探討.其他藥物如順鉑、草酸鉑等也表現(xiàn)出顯著的時(shí)辰治療效應(yīng)[23-27].本研究中基于懸浮細(xì)胞的系統(tǒng)也適用于探討這些藥物的生物節(jié)律反應(yīng)特征.

4 結(jié) 論

本研究建立了在體外細(xì)胞懸浮培養(yǎng)中同步化生物鐘的新方法，并基于該方法對(duì)腫瘤細(xì)胞的時(shí)辰給藥反應(yīng)進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)同步化的細(xì)胞對(duì)化療藥物表現(xiàn)出明顯的時(shí)辰反應(yīng).作為原理驗(yàn)證，在此只檢測(cè)了一種細(xì)胞類型，但理論上該方法可以應(yīng)用于其他類型的腫瘤細(xì)胞培養(yǎng)，從而有助于生物鐘與腫瘤治療的相關(guān)研究，可進(jìn)一步豐富我們對(duì)生物鐘如何影響腫瘤治療的認(rèn)識(shí).