研究微重力對(duì)甲狀腺腫瘤的影響

陳雪梅， 陳遠(yuǎn)洋 綜述 周全紅 審校

（上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院麻醉科，上海 200233）

微重力又稱(chēng)零重力，是指在重力作用下，系統(tǒng)表觀重量遠(yuǎn)小于其實(shí)際重量的環(huán)境。微重力提供的特殊物理環(huán)境，可明顯影響正常及病變細(xì)胞的生理功能[1-2]。宇航員在外太空長(zhǎng)時(shí)間處于微重力狀態(tài)，機(jī)體會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)性生理異常，包括肌肉萎縮、骨質(zhì)疏松、免疫系統(tǒng)受損、液體頭向分布等[3]。

最常見(jiàn)的內(nèi)分泌惡性腫瘤甲狀腺癌，過(guò)去40年里，世界范圍的發(fā)病率有所上升。低分化甲狀腺癌有高度侵襲性和早期轉(zhuǎn)移，常導(dǎo)致病人不良預(yù)后。目前對(duì)復(fù)發(fā)性低分化甲狀腺癌的治療選擇非常有限。研究表明，太空失重環(huán)境對(duì)甲狀腺形態(tài)和功能產(chǎn)生重要影響。對(duì)處于微重力的小鼠甲狀腺分析發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)分泌功能紊亂和形態(tài)學(xué)發(fā)生改變[4]。太空失重環(huán)境中的小鼠甲狀腺發(fā)生一系列有害變化，表明重力對(duì)于維持甲狀腺正常生理功能的重要性[5]。已知正常細(xì)胞在微重力環(huán)境下發(fā)生的各種變化。因此，研究者借助微重力的特殊條件，希望尋找腫瘤防治，新藥靶點(diǎn)的新思路。

在真實(shí)失重環(huán)境下的研究機(jī)會(huì)少而珍貴。目前用地面設(shè)施來(lái)模擬微重力，主要包括快速旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)器(fast-rotating clinostat,FRC)、旋轉(zhuǎn)壁式容器(rotating wall vessel,RWV)或隨機(jī)定位機(jī)(random positioning machine,RPM)[3]等設(shè)備。FRC和RPM的工作原理相似，都是改變重力矢量的方向，從而防止沉降。RWV則是通過(guò)容器不斷繞水平軸旋轉(zhuǎn)，以提供培養(yǎng)基流，從而抵消重力，防止沉降。研究證明，使用地面模擬設(shè)施研究所得結(jié)果與真實(shí)微重力下結(jié)果一致，是地面微重力研究的可靠工具[6-7]。

微重力對(duì)正常甲狀腺的影響

甲狀腺的基本結(jié)構(gòu)是甲狀腺濾泡，主要為濾泡上皮細(xì)胞(甲狀腺細(xì)胞)，這些細(xì)胞產(chǎn)生三碘甲腺原氨酸和甲狀腺素。在體內(nèi)，甲狀腺細(xì)胞呈單層排列(上皮細(xì)胞)，環(huán)繞在濾泡的管腔周?chē)?。體內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)表明，微重力和超重均對(duì)甲狀腺細(xì)胞有影響。特別是微重力影響甲狀腺濾泡更明顯，表現(xiàn)為甲狀腺細(xì)胞肥大，并顯示單磷酸環(huán)腺苷、促甲狀腺激素受體和陷窩蛋白1(caveolin-1，CAV1)升高[8]。同時(shí)還影響甲狀腺的內(nèi)分泌功能，表現(xiàn)為細(xì)胞游離三碘甲腺原氨酸、甲狀腺素和游離甲狀腺素分泌降低[9]。早在1979年，發(fā)現(xiàn)在失重的動(dòng)物中可觀察到甲狀腺功能中度減退癥狀，降鈣素分泌細(xì)胞中核的數(shù)量和體積明顯減少[5]。暴露于真實(shí)外太空失重條件下的大鼠甲狀腺細(xì)胞 (fischer rat thyroid cell line-5,FRTL-5)，表現(xiàn)為不規(guī)則形狀、細(xì)胞染色質(zhì)濃縮、細(xì)胞膜重塑，以及鞘磷脂合成酶和細(xì)胞凋亡Bax蛋白增加，且對(duì)甲狀腺激素不敏感[10]。與正常重力下的細(xì)胞相比，暴露于微重力下的甲狀腺細(xì)胞會(huì)脫離單層黏附狀態(tài)，并自行聚集成三維多細(xì)胞球體(multicellular spheroid,MCS)[11]。在RWV中培養(yǎng)的甲狀腺濾泡細(xì)胞不僅相互聚集成球體，且加入角質(zhì)形成細(xì)胞生長(zhǎng)因子培養(yǎng)后可形成人工甲狀腺類(lèi)器官，其結(jié)構(gòu)與天然甲狀腺組織非常相似[12]。

Nrhy-ori 3-1細(xì)胞系是人原代甲狀腺細(xì)胞，具有甲狀腺上皮細(xì)胞的形態(tài)兼特定分化能力，且無(wú)致瘤性。研究顯示Nrhy-ori 3-1細(xì)胞在RPM條件培養(yǎng)后形成MCS，且球狀體長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)未見(jiàn)明顯壞死跡象。白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-6和IL-8可能參與成球的過(guò)程[13]。眾所周知，IL-6參與甲狀腺癌的血管生成和腫瘤轉(zhuǎn)移。IL-6濃度的升高可能是由于細(xì)胞表面特異性受體CD44激活，提示CD44-IL-6連接體可能在重力感知中起重要作用[14]。綜上所述，微重力可影響正常甲狀腺的形態(tài)、基因表達(dá)、蛋白質(zhì)合成和內(nèi)分泌功能等。

微重力對(duì)甲狀腺腫瘤細(xì)胞生物學(xué)行為和功能的影響

一、對(duì)形態(tài)學(xué)影響及可能機(jī)制

不同甲狀腺腫瘤細(xì)胞系 (ML-1、FTC-133和UCLA RO-82W-1)已開(kāi)展大量不同微重力系統(tǒng)研究。有研究報(bào)道，模擬失重可影響細(xì)胞骨架和細(xì)胞外基質(zhì)的代謝[15]，同時(shí)也影響腫瘤細(xì)胞的黏附、增殖、凋亡、侵襲和轉(zhuǎn)移[16]。在微重力下，正常黏附癌細(xì)胞的一部分會(huì)形成非球狀細(xì)胞，而另一部分則不黏附，形成多細(xì)胞腫瘤聚集體(multicellular tumor spheroid,MCTS)。MCTS中的細(xì)胞發(fā)生明顯改變，增殖行為及基因表型與正常重力下在平面生長(zhǎng)的細(xì)胞完全不同。癌細(xì)胞在微重力條件下，脫離、成球的過(guò)程可模擬癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。 目前MCS成為研究轉(zhuǎn)移、篩選新靶向藥物、開(kāi)發(fā)癌癥治療新策略的寶貴模型[17]。

ML-1細(xì)胞系形成的MCTS，顯示其與凋亡相關(guān)的Fas蛋白、p53和Bax的表達(dá)量明顯增加，但抑制凋亡的Bcl-2蛋白表達(dá)減少，提示微重力條件可能誘導(dǎo)細(xì)胞早期凋亡[18]。近期研究表明，微重力誘導(dǎo)的凋亡很可能與激活細(xì)胞的NF-κB通路密切相關(guān)[19]。此外，微重力使細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的含量增加，并在多細(xì)胞球體中的細(xì)胞外基質(zhì)穩(wěn)定性也受微重力影響[15，20]。國(guó)內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，與正常重力對(duì)照組相比，微重力抑制大鼠甲狀腺濾泡上皮細(xì)胞系增殖。進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)停滯于G1期的細(xì)胞比例顯著升高，DNA的合成下降。研究顯示，UCLA RO-82W-1細(xì)胞系經(jīng)過(guò)RPM條件培養(yǎng)后，細(xì)胞參與血管生成產(chǎn)物的基因表達(dá)上調(diào)，而參與細(xì)胞外基質(zhì)形成產(chǎn)物的表達(dá)下調(diào)[21]。微重力條件對(duì)甲狀腺生物行為及生理功能具有明顯影響(見(jiàn)表1、2)。

表1 微重力對(duì)甲狀腺腫瘤細(xì)胞的影響

太空實(shí)驗(yàn)可達(dá)到完全失重條件，更能顯示微重力對(duì)甲狀腺功能的影響。2011年，神舟8號(hào)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，甲狀腺濾泡癌細(xì)胞的增殖、黏附和生長(zhǎng)行為發(fā)生明顯變化，細(xì)胞侵襲性的表型減弱[29]。血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)，尤其是VEGFA，是驅(qū)動(dòng)血管生成最重要的生長(zhǎng)因子，參與腫瘤血管形成[30]。該研究發(fā)現(xiàn)，RPM和太空飛行器上培養(yǎng)的FTC-133甲狀腺癌細(xì)胞VEGFA的表達(dá)降低，在非黏附細(xì)胞和MCS中下調(diào)程度無(wú)差異。此外，分化型甲狀腺癌轉(zhuǎn)移病人VEGFD血清水平降低，觀察到在微重力下FTC-133甲狀腺癌細(xì)胞VEGFD基因表達(dá)增加。所有結(jié)果顯示，甲狀腺腫瘤細(xì)胞在微重力下向良性、低轉(zhuǎn)移性的表型轉(zhuǎn)變[22]。同樣，模擬微重力也抑制黑素瘤BL6-10的侵襲性[24]。

二、形成MCTS的機(jī)制

微重力促使甲狀腺腫瘤細(xì)胞形成MCTS的機(jī)制一直是研究的熱點(diǎn)。微重力條件下，與正常的甲狀腺細(xì)胞相比，F(xiàn)TC-133細(xì)胞可形成更大的MCS，同時(shí)成球速度更快。對(duì)其蛋白質(zhì)組分析結(jié)果顯示，paxillin、vinculin和局灶黏連激酶表達(dá)減少，這可能有利于細(xì)胞從培養(yǎng)瓶底部脫離，同時(shí)細(xì)胞表達(dá)更多的結(jié)合纖連蛋白，有助細(xì)胞球體的形成[31-32]。此外，CAV1和結(jié)締組織生長(zhǎng)因子(connective tissue growth factor,CTGF)在球狀體中的表達(dá)下調(diào)，兩者可能參與抑制MCS的形成[7]。MCS形成的相關(guān)研究及可能機(jī)制見(jiàn)表3。

表3 甲狀腺腫瘤細(xì)胞在真實(shí)或模擬微重力條件下形成MCS的研究

微重力條件下研究抗腫瘤藥物治療的潛在靶點(diǎn)

人腎皮質(zhì)細(xì)胞在完全失重條件下培養(yǎng)6 d。其與地面對(duì)照組相比，10 000個(gè)分析基因中有1 632個(gè)發(fā)生變化。第1次發(fā)現(xiàn)微重力可廣泛影響體外培養(yǎng)細(xì)胞的基因變化[38]?；谶@些發(fā)現(xiàn)，推測(cè)微重力條件也會(huì)引起癌細(xì)胞很多蛋白質(zhì)的表達(dá)變化，可能成為新藥開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。已知地塞米松對(duì)NF-κB途徑具有抑制作用，而NF-κB轉(zhuǎn)錄因子參與甲狀腺癌的發(fā)生[39]，并可能成為晚期甲狀腺癌治療的靶點(diǎn)。進(jìn)一步研究顯示，Src抑制劑PP2和E-cadherin抗體也對(duì)人乳腺癌MCF-7細(xì)胞成球有影響。PP2可抑制細(xì)胞成球，而E-cadherin抗體則可促進(jìn)細(xì)胞成球。在微重力條件下探究可能的治療靶點(diǎn)是未來(lái)甲狀腺腫瘤研究的重要領(lǐng)域。

小 結(jié)

微重力可影響正常和惡性甲狀腺細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖、遷移、細(xì)胞骨架、細(xì)胞外基質(zhì)和局部黏附。與正常重力下的細(xì)胞比較，良、惡性細(xì)胞中可檢測(cè)到大量差異基因以及蛋白質(zhì)合成和分泌的改變。在微重力條件下，良、惡性細(xì)胞均有形成MCS的現(xiàn)象。雖然MCS模型用于模擬腫瘤轉(zhuǎn)移，對(duì)其潛在機(jī)制的研究也提供關(guān)于體內(nèi)癌癥進(jìn)展和轉(zhuǎn)移的有價(jià)值的信息，但調(diào)控MCS形成的過(guò)程復(fù)雜，仍需更深入、系統(tǒng)的研究。微重力條件提供的特殊培養(yǎng)環(huán)境，有助于檢測(cè)差異蛋白質(zhì)的變化，為篩選癌癥藥物作用靶點(diǎn)提供條件。

表2 微重力影響細(xì)胞變化的可能機(jī)制