楊曉華,郭莉莉,路麗明
(1.上海市胸科醫(yī)院,上海交通大學(xué)附屬胸科醫(yī)院,實(shí)驗(yàn)中心,上海 200030;2.上海市免疫學(xué)研究所,上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院,上海 200025)
肺癌臨床表現(xiàn)復(fù)雜癥狀隱蔽,難于早期發(fā)現(xiàn),所以肺癌后期的化療成為了肺癌治療的主要方法。然而化療耐藥性,尤其是多藥耐藥(multidrug resistance,MDR),成為了腫瘤化療失敗的重要原因[1-3]。之前對(duì)MDR進(jìn)行研究,多采用體外細(xì)胞系的方法。由于體外細(xì)胞系無(wú)法模擬與MDR具有密切關(guān)系的動(dòng)物內(nèi)環(huán)境和免疫系統(tǒng),因而建立了耐藥細(xì)胞株動(dòng)物模型,如肺癌耐藥A549/DDP動(dòng)物模型[4],耐紫杉醇(Taxol)肺癌細(xì)胞動(dòng)物模型[5]。
以往建立的動(dòng)物模型均采用皮下成瘤的方法,這種方法具有成瘤率高、耐藥性好、腫瘤遺傳特性穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但由于皮下異位使腫瘤并不處于肺部原位組織,因而不具有肺癌腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)環(huán)境和生物學(xué)特性,也很難模擬出肺癌腫瘤的臨床表征[6-7]。將耐藥肺癌細(xì)胞移植到肺部原位處能夠很好的模擬肺癌腫瘤的內(nèi)部生長(zhǎng)環(huán)境,保留其在體內(nèi)原位處的生理特性。這種動(dòng)物模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)肺癌腫瘤細(xì)胞的“全真模擬”,對(duì)MDR機(jī)制的深入研究,抗癌藥物的研發(fā)及逆轉(zhuǎn)MDR藥物的篩選都具有重要意義。
1.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物
40只4~6周齡SPF級(jí)雄性裸鼠,每組20只,分別為A549組和A549-Taxol組。體重16 g左右,購(gòu)自上海杰思捷實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司【SCXK(滬)2018-0004】,按照SPF級(jí)動(dòng)物飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)在上海市胸科醫(yī)院【SYXK(滬)2018-0016】進(jìn)行飼養(yǎng)。飼養(yǎng)環(huán)境:晝夜各半循環(huán)照明,濕度恒定,室溫(23±2)℃,裸鼠分籠飼養(yǎng),自由飲水、攝食。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)動(dòng)物的處置符合2006年9月科技部頒布的《關(guān)于善待實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的指導(dǎo)性意見(jiàn)》,所有操作均符合實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理學(xué)要求(倫理審查號(hào):KS2028)
1.1.2 細(xì)胞
人肺腺癌細(xì)胞(A549)由本室常規(guī)傳代培養(yǎng),耐紫杉醇人肺癌腺細(xì)胞株(A549-Taxol)由本實(shí)驗(yàn)室建立[8],培養(yǎng)于10%滅活胚胎牛血清的高糖DMEM培養(yǎng)液,并在含有濃度5%的CO2,37℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。細(xì)胞傳代使用0.25%的胰蛋白酶處理。
1.1.3 主要試劑與儀器
胚胎牛血清(BSA)和高糖DMEM培養(yǎng)基均購(gòu)自Gibco公司;胰蛋白酶,四甲基偶氮唑鹽(MTT),二甲基亞砜(DMSO)均購(gòu)自Sigma公司;谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST-π)抗體,糖蛋白(P-gp170)抗體和基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP-7)抗體,均購(gòu)自北京中山生物科技有限公司;帶U6啟動(dòng)子的過(guò)表達(dá)質(zhì)粒pCDHCMV-MCS-EF1-GFP-T2A-Puro(帶陰性質(zhì)粒)和PLVX-shRNA-GFP購(gòu)自ADDGENE公司pCDH(Promega,Madison,WI)。
超凈工作臺(tái)(Thermo,美國(guó));全自動(dòng)酶標(biāo)儀(Biotek,美國(guó));CO2培養(yǎng)箱(Thermo,美國(guó));離心機(jī)(Thermo,美國(guó));倒置相差顯微鏡(Leica,德國(guó))。
1.2.1 裸鼠肺部原位移植瘤模型的建立
原位移植瘤模型的建立主要采用穿刺法,將裸鼠用0.05 g/mL氯胺酮按每只0.1 mL腹腔麻醉后,右側(cè)臥位固定。分別向小鼠肺部注入腫瘤細(xì)胞懸液。取不同量的原代培養(yǎng)的A549和A549-Taxol細(xì)胞用胰蛋白酶消化處理成懸液,并與一定體積的matrigel混合至終體積3 mL,使用滅菌針頭將每個(gè)具有一定細(xì)胞數(shù)量的混合液,沿小鼠左肩胛第5肋間緩慢進(jìn)針約5 mm后向肺內(nèi)注射細(xì)胞液,每只實(shí)驗(yàn)裸鼠接種細(xì)胞數(shù)約每毫升5×106,稍作停留后抽出針頭。注射完畢松開(kāi)實(shí)驗(yàn)裸鼠,觀察至其恢復(fù)正常呼吸后放回飼養(yǎng)籠飼養(yǎng),以防實(shí)驗(yàn)意外[9]。A549組和A549-Taxol組小鼠各20只。
1.2.2 實(shí)驗(yàn)裸鼠狀態(tài)觀察及體重測(cè)量
接種腫瘤細(xì)胞后每日觀察A549組和A549-Taxol組實(shí)驗(yàn)裸鼠臨床癥狀、每周2次稱量并記錄其體重,繪制體重變化曲線。
1.2.3 細(xì)胞耐藥性測(cè)定
小鼠皮下成瘤3代后,將成腫瘤小鼠處死,在無(wú)菌條件下分離腫瘤組織,并用篩網(wǎng)制備單細(xì)胞懸液,然后采用MTT法測(cè)定耐藥性。將細(xì)胞以每毫升3×104個(gè)接種于96孔培養(yǎng)板,每孔100μL。Taxol用培養(yǎng)液稀釋成終濃度為20、40、80、160、320、640遞增至20 480μg/L,每一濃度重復(fù)3孔,同時(shí),使用100μL培養(yǎng)液作為對(duì)照。培養(yǎng)48 h后,每孔加入20μL 5 g/L的MTT溶液,繼續(xù)培養(yǎng)4 h后,棄上清,每孔加入DMSO,震蕩混勻后,在540 nm下測(cè)定各孔光密度值,計(jì)算50%細(xì)胞抑制所需的藥物濃度(IC50),并根據(jù)公式計(jì)算耐藥指數(shù):耐藥指數(shù)=耐藥細(xì)胞IC50/親代細(xì)胞IC50。
1.2.4 P-gp170干擾和過(guò)表達(dá)載體構(gòu)建
根據(jù)P-gp170 mRNA選擇目標(biāo)序列按shRNA的設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)多聚核苷酸序列保留BamHI或XbaI的酶切位點(diǎn)并確定其為特異性序列。正義、反義序列分別為5’-CCUGGACAAUGACAAGUACAUTTT-3’和5’-AUGUACUUGUCAUUGUCCACCTT-3’。
兩條寡核苷酸鏈經(jīng)過(guò)混合、變性、退火形成雙鏈寡核苷酸。載體經(jīng)過(guò)酶切成線性,將退火的寡核苷酸連接到載體后、轉(zhuǎn)化、搖菌、鋪平板挑選單克隆進(jìn)行細(xì)菌擴(kuò)增,最后利用質(zhì)粒小抽試劑盒獲得干擾載體。過(guò)表達(dá)載體是基于pCDH-CMV-MCS-EF1-GFP-T2A-Puro骨架構(gòu)建的,首先根據(jù)NCBI找到P-gp170基因編碼序列,然后PCR擴(kuò)增序列,通過(guò)酶切酶連的方法連接目標(biāo)序列和質(zhì)粒骨架,再通過(guò)轉(zhuǎn)化擴(kuò)增及質(zhì)粒小抽試劑盒,獲得過(guò)表達(dá)載體。最后,上述的干擾載體和過(guò)表達(dá)載體都經(jīng)過(guò)細(xì)胞轉(zhuǎn)染,進(jìn)行載體驗(yàn)證和后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
1.2.5 RT-PCR
用TRIzol試劑提取細(xì)胞總RNA,在MMLV逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下合成cDNA,然后以此為模板進(jìn)行PCR,比較GST-π、P-gp170和MMP-7基因的表達(dá)情況。目的基因GST-π:上游引物5’-CCCTACACCG TGGTCTATTTCC-3’,下游引物5’-CAGGAGGCTTT GAGTGAGC-3’;目的基因MMP-7:上游引物5’-GAGTGAGCTACAGTGGGAACA-3’,下游引物5’-CTATGACGCGGGAGTTTAACAT-3’;目的基因Pgp170:上游引物5’-GGGAGCTTAACACCCGACTTA-3’,下游引物5’-GCCAAAATCACAAGGGTTAGCTT-3’;內(nèi)參基因GAPDH:上游引物5’-TCACCATC TTCCAGGAGCG-3’,下游引物5’-AGTGAGCTT CCCGTTCAGA-3’;擴(kuò)增后15 g/L瓊脂糖凝膠電泳,凝膠成像掃描系統(tǒng)掃描分析。
1.2.6 Western Blot
預(yù)冷的PBS洗滌3次,加入150μL上樣緩沖液95℃煮5 min,短暫離心,800 rpm LSDS-PAGE電泳,每孔上樣60μL。樣品分離后轉(zhuǎn)移至硝酸纖維素(NC)膜(轉(zhuǎn)印緩沖液含20 mmol/L Tris,200 mmol/L甘氨酸,200 mmol/L甲醇)。轉(zhuǎn)印后NC膜室溫干燥于4℃保存。檢測(cè)前將NC膜置于含50 mL/L牛血清白蛋白的TBST緩沖液中室溫封閉1 h,分別加入羊抗人多克隆抗體GST-π、P-gp170、MMP-7(4℃孵育過(guò)夜)和GAPDH(室溫孵育2 h),TBST再次漂洗,然后加入辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記的二抗(抗羊、抗鼠)室溫孵育2 h,TBST漂洗后DAB顯色,凝膠成像掃描系統(tǒng)掃描分析。
1.2.7 免疫組化和切片
標(biāo)本經(jīng)4μm連續(xù)切片,分別做HE和免疫組化染色。免疫組化染色采用兩步法(EnVisionTM)。具體如下:切片脫蠟至水,尿素消化,3%過(guò)氧化氫封閉,用檸檬酸緩沖液進(jìn)行微波修復(fù),冷卻,10%羊血清封閉,加一抗4℃過(guò)夜;從冰箱取出37℃復(fù)溫,用自來(lái)水沖洗抗體,加入抗兔二抗(EnVision)和抗鼠二抗,37℃恒溫反應(yīng)(中間各步用PBS洗),加DAB顯色,在顯微鏡觀察終止顯色。用蘇木素輕微復(fù)染,脫水透明封片,在光鏡下觀察,對(duì)照組設(shè)陽(yáng)性、陰性和空白對(duì)照。
1.2.8 雙免疫熒光
加P-gp170一抗4℃過(guò)夜等步驟同上,第2天復(fù)溫后加FITC標(biāo)記的山羊抗兔抗體,37℃恒溫40 min,PBS洗;加V-ATPase鼠抗,4℃過(guò)夜,PBS洗,加TRITC標(biāo)記的紅色抗鼠熒光抗體,37℃40 min,PBS洗,甘油封片,激光共聚焦鏡觀察、照相。
1.2.9 細(xì)胞劃痕實(shí)驗(yàn)和遷移實(shí)驗(yàn)
將A549-Taxol耐藥細(xì)胞與A549細(xì)胞分別接種于6孔板中,待細(xì)胞貼壁后,進(jìn)行劃線。分別拍照記錄劃線后0、24、48 h的細(xì)胞劃痕的寬度。細(xì)胞遷移實(shí)驗(yàn)利用了Transwell小室,將兩種細(xì)胞懸液加入Transwell小室中,待24 h和48 h后,用結(jié)晶紫染色拍照。
本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,并用GraphPad Prism軟件處理,兩組組間比較使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),以P<0.05表示差異具有顯著性。
A549-Taxol耐藥細(xì)胞經(jīng)BNX小鼠皮下傳代3代,增強(qiáng)其成瘤性后,檢測(cè)A549-Taxol細(xì)胞IC50為(6349±0.87)μg/L,而親代A549細(xì)胞IC50為(12.5±0.42)μg/L,A549-Taxol細(xì)胞耐藥指數(shù)是親代細(xì)胞的508。
為了探討紫杉醇耐藥細(xì)胞的耐藥機(jī)制,通過(guò)比較紫杉醇耐藥細(xì)胞和A549細(xì)胞中耐藥蛋白GST-π[10-11]、P-gp170[12-13]和 MMP-7[14]的 表 達(dá)。RT-PCR和Western Blot結(jié)果顯示:GST-π和P-gp170在耐藥細(xì)胞株中表達(dá)顯著高于正常組A549肺癌細(xì)胞(P<0.001)(圖1),免疫熒光結(jié)果也顯示耐藥細(xì)胞株的耐藥蛋白表達(dá)明顯升高(圖2)。研究報(bào)道紫杉醇是p-糖蛋白的潛在底物,p-糖蛋白的高表達(dá)可抑制藥物吸收從而導(dǎo)致耐藥[12-13]。此外,GST-π的異常表達(dá)也與腫瘤對(duì)化療藥物耐藥的發(fā)生發(fā)展有關(guān),紫杉醇也可能作為GST-π的底物通過(guò)催化偶聯(lián)反應(yīng)直接代謝[10-11]。因此,結(jié)果說(shuō)明紫杉醇耐藥細(xì)胞可能通過(guò)高表達(dá)GST-π和p-gp170阻礙紫杉醇吸收從而產(chǎn)生耐藥。另一方面,研究發(fā)現(xiàn)耐藥細(xì)胞株中MMP-7的表達(dá)量也顯著性高于正常組A549細(xì)胞(圖1),細(xì)胞劃痕實(shí)驗(yàn)(圖3A)和侵襲實(shí)驗(yàn)(圖3B)顯示紫杉醇耐藥細(xì)胞株也有更強(qiáng)的遷移和侵襲能力。這說(shuō)明紫杉醇耐藥株細(xì)胞可能通過(guò)增加細(xì)胞遷移和侵襲能力起到耐藥的作用。
圖1 耐藥和正常A549細(xì)胞內(nèi)耐藥蛋白的表達(dá)情況Note.Compared with A549,*P<0.05,**P<0.01.(The same in the following figures)Figure 1 Expression of drug-resistant protein in Taxol and normal A549 cells
圖2 耐藥蛋白P-gp170在耐藥和正常A549細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)情況Figure 2 Expression of drug-resistant protein P-gp170 in Taxol and normal A549 cells
圖3 紫杉醇耐藥細(xì)胞和正常A549細(xì)胞的遷移情況Note.A.Woundhealing test.B.Transwell test.Figure 3 Migration capacity of Taxol and normal A549 cells
為了進(jìn)一步的驗(yàn)證耐藥基因與紫杉醇耐藥之間的直接關(guān)系,以P-gp170為例,構(gòu)建了p-gp170的過(guò)表達(dá)細(xì)胞株和沉默表達(dá)的細(xì)胞株。經(jīng)過(guò)細(xì)胞轉(zhuǎn)染后驗(yàn)證的結(jié)果得出:過(guò)表達(dá)P-gp170后,P-gp170基因明顯高表達(dá)。干擾shRNAP-gp170后,P-gp170基因極顯著低表達(dá)。圖4結(jié)果發(fā)現(xiàn),A549-Taxol耐藥細(xì)胞轉(zhuǎn)染載體后,組別為耐藥株、干擾空載、干擾shRNA P-gp170、過(guò)表達(dá)空載、過(guò)表達(dá)PCDH p-gp組,對(duì)應(yīng)的IC50依次為(6349±0.87)μg/L、(6544±42)μg/L、(3256±56)μg/L、(6233±61)μg/L、(8649±122)μg/L。其中,干擾shRNA P-gp170組相對(duì)于耐藥組IC50降低2倍左右,明顯不耐藥。而過(guò)表達(dá)PCDH p-gp組相對(duì)于耐藥組IC50增加1.4倍左右,耐藥程度增加。結(jié)果說(shuō)明p-gp170的表達(dá)與紫杉醇耐藥直接相關(guān),可能是通過(guò)阻礙紫杉醇吸收導(dǎo)致細(xì)胞耐藥。
圖4 A549細(xì)胞中耐藥蛋白p-gp170的表達(dá)情況Note.Compared with Taxol resistant strains,**P<0.01.Figure 4 Expression of drug-resistant protein p-gp170 of A549 cells
結(jié)果發(fā)現(xiàn),紫杉醇耐藥細(xì)胞株的建立提供了一種研究模型,可以在體外研究紫杉醇耐藥機(jī)制。但是對(duì)于臨床研究來(lái)說(shuō),體外實(shí)驗(yàn)不能很好的反應(yīng)真實(shí)情況,因此需要建立小鼠模型。為了更貼近患者實(shí)際情況,本研究采用了原位移植的方法,將小鼠左肩胛第5肋間作為進(jìn)針位點(diǎn),注射腫瘤細(xì)胞(圖5 A)。原位移植裸鼠后1~1.5周,A549和A549-Taxol組小鼠體重未見(jiàn)明顯變化;1.5~2.5周,兩組小鼠體重急劇上升;第2.5周開(kāi)始,A549和A549-Taxol組小鼠弓背明顯;腹部逐漸出現(xiàn)膨隆,體重有所下降,A549-Taxol組小鼠癥狀較為嚴(yán)重,兩組小鼠體重變化曲線(圖5B)。
圖5 肺癌原位移植模型圖與小鼠體重變化Note.A.Model of tumor implantation.B.Change of body weight.Figure 5 Orthotopic lung cancer model and the change of body weight
飼養(yǎng)3周后,統(tǒng)計(jì)兩組裸鼠的成瘤率,A549組和A549-Taxol組的成瘤率分別為80%和85%,圖6A和圖6B為A549組和A549-Taxol組裸鼠的肺部組織形態(tài),可見(jiàn)已有團(tuán)裝腫瘤組織生長(zhǎng)。圖6C和圖6D為兩組小鼠HE染色圖片,可見(jiàn)團(tuán)狀腫瘤組織周圍肺組織及細(xì)支氣管受壓,病灶內(nèi)有血管穿行。腫瘤細(xì)胞呈圓形、橢圓形或梭形,胞漿稀少,核大且圓,核漿比增加,可見(jiàn)病理性核分裂,病灶內(nèi)腫瘤細(xì)胞呈巢團(tuán)狀排列。
圖6 小鼠原位成瘤Figure 6 Orthotopic tumor of mice
免疫組化顯示GST-π、P-gp170和MMP-7在A549-Taxol組裸鼠中明顯表達(dá)(圖7),PCR和Western Blot定量分析耐藥的表達(dá)結(jié)果顯示GST-π、P-gp170和MMP-7在A549-Taxol組裸鼠腫瘤組織中表達(dá)明顯升高(圖8)。
圖7 腫瘤組織內(nèi)耐藥蛋白的表達(dá)情況Figure 7 Expression of drug resistant protein in tumor tissues
圖8 腫瘤組織內(nèi)耐藥蛋白的表達(dá)情況Figure 8 Expression of drug resistant protein in tumor tissues
綜上所述,GST-π、P-gp170和MMP-7與肺癌紫杉醇耐藥相關(guān),通過(guò)對(duì)肺癌紫杉醇耐藥細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn),P-gp170可能通過(guò)阻礙紫杉醇吸收導(dǎo)致細(xì)胞耐藥,此外紫杉醇耐藥細(xì)胞通過(guò)提高M(jìn)MP-7的表達(dá)量增加侵襲性,也間接導(dǎo)致細(xì)胞耐藥。為了更貼近臨床實(shí)際情況,研究人員采用5×106細(xì)胞量、進(jìn)針5 mm的注射法建立了耐紫杉醇肺癌細(xì)胞肺部原位移植動(dòng)物模型,通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了此動(dòng)物模型的穩(wěn)定性,可用于多種實(shí)驗(yàn)研究。
肺癌成為腫瘤死因的首位,2012年公布的數(shù)據(jù)顯示肺癌患者的5年生存率僅為10%~15%[15],肺癌化療的多藥耐藥(MDR)成為腫瘤治療的主要阻礙。因此,深入了解肺癌MDR的機(jī)制,對(duì)于開(kāi)發(fā)抗腫瘤藥物、提高腫瘤化療成功率具有重要意義。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立了多種多耐藥細(xì)胞株,在體外對(duì)MDR進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)生物膜表面蛋白基因過(guò)量表達(dá)產(chǎn)生的P-gp170,細(xì)胞內(nèi)還原型谷胱甘肽GSH和GST-π及肺耐藥蛋白等都與MDR有著密切關(guān)系[16-17]。但是體外與體內(nèi)實(shí)驗(yàn)仍存在一定差異,因而建立腫瘤耐藥模型顯得尤為必要。
目前已成功建立了肝癌、胃癌、膠質(zhì)瘤等腫瘤多藥耐藥動(dòng)物模型[18-20],但肺癌耐藥動(dòng)物模型的報(bào)道并不多,實(shí)體瘤耐藥移植模型多采用皮下移植和原位移植兩種途徑。然非原位移植的皮下瘤與在肺部原位處的腫瘤之間生物學(xué)特性相差很大,因此借助于非原位移植皮下瘤模型的研究結(jié)果,與實(shí)際臨床效果之間必然具有某些不同。所以原位移植瘤模型的建立就顯得尤為重要,因?yàn)檫@種模型能夠更加接近癌癥患者體內(nèi)的真實(shí)情況,更好地模擬人晚期肺癌的特征,更好地應(yīng)用于臨床診斷治療和MDR機(jī)制的研究。如果臨床上想要利用消融手術(shù)治療耐藥性肺癌,可以利用本研究建立的肺癌原位移植耐藥腫瘤模型進(jìn)行消融研究,給臨床治療提供有效的建議。
紫杉醇與長(zhǎng)春新堿、長(zhǎng)春花堿、多柔比星等有交叉耐藥現(xiàn)象[21-22]。本實(shí)驗(yàn)室已成功建立A549-Taxol細(xì)胞株,其耐藥指數(shù)為512倍,此次研究中采用此細(xì)胞株進(jìn)行裸鼠皮下成瘤,然后將注射后的小鼠進(jìn)行SPF級(jí)飼養(yǎng),進(jìn)而采用免疫印跡、免疫染色等手段對(duì)小鼠體內(nèi)的成瘤細(xì)胞進(jìn)行相關(guān)生物學(xué)特性測(cè)定。結(jié)果表明注入細(xì)胞量為每毫升5×106,進(jìn)針深度為5 mm時(shí),成瘤率為85%,耐藥指數(shù)為508倍,從而初步建立了一個(gè)耐紫杉醇肺癌細(xì)胞肺部原位移植動(dòng)物模型。
本研究基本建立耐紫杉醇肺原位移植瘤模型,此肺癌模型將可以更好地模擬肺癌病人耐藥后腫瘤的生長(zhǎng)、浸潤(rùn)、轉(zhuǎn)移等臨床特征,為開(kāi)發(fā)篩選有效逆轉(zhuǎn)腫瘤多藥耐藥的新型藥物及深入探索腫瘤耐藥機(jī)制奠定基礎(chǔ)。