徐夕冶 柳迪 唐麗
(1 青島大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,山東 青島 266071; 2 軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院生命組學(xué)研究所)
惡性腫瘤起源于獲得特定遺傳改變的單個(gè)體細(xì)胞,其發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜且不斷適應(yīng)的過(guò)程[1],該過(guò)程涉及到許多腫瘤細(xì)胞本身功能的改變,包括細(xì)胞分化狀態(tài)、端粒維持、細(xì)胞增殖控制、營(yíng)養(yǎng)環(huán)境變化適應(yīng)、血管生成能力、避免細(xì)胞死亡等[2]。免疫系統(tǒng)的生理功能之一是在腫瘤形成后對(duì)其進(jìn)行殺傷,在腫瘤細(xì)胞和免疫系統(tǒng)博弈的過(guò)程中有一部分腫瘤細(xì)胞可逃避免疫系統(tǒng)的殺傷,塑造免疫抑制性微環(huán)境,獲得免疫監(jiān)視適應(yīng),最終產(chǎn)生一些原有腫瘤所不具備的生物學(xué)特性,促進(jìn)腫瘤發(fā)生[3-7]。已有研究表明,體內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生的腫瘤,在外界藥物刺激下可逐漸進(jìn)化[4],相較之下,機(jī)體自身因素對(duì)腫瘤進(jìn)化的作用尚不十分清楚。本研究誘導(dǎo)相同腫瘤模型但惡性程度不同的腫瘤細(xì)胞,通過(guò)檢測(cè)特征基因的表達(dá)水平、體外增殖能力以及體內(nèi)成瘤能力評(píng)價(jià)腫瘤細(xì)胞惡性程度,分析其惡性程度與腫瘤微環(huán)境免疫細(xì)胞表型的相關(guān)性,并首次探究機(jī)體自身因素導(dǎo)致的腫瘤細(xì)胞惡性化過(guò)程中,介導(dǎo)免疫抑制性微環(huán)境形成的關(guān)鍵免疫細(xì)胞亞群?,F(xiàn)將結(jié)果報(bào)告如下。
6~8周齡C57BL/6小鼠購(gòu)自北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司,動(dòng)物合格證號(hào)為SCXK(京)2021-0006,動(dòng)物飼養(yǎng)于北京國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心動(dòng)物房SPF級(jí)環(huán)境中。
CCK8檢測(cè)試劑盒購(gòu)自金普來(lái)公司,RNA提取試劑盒購(gòu)自德國(guó)QIAGEN公司,反轉(zhuǎn)錄試劑盒購(gòu)買于日本TaKaRa公司,熒光定量PCR(qPCR)試劑盒購(gòu)自日本TOYOBO公司,抗小鼠CD163-PerCP-eFlour710、Foxp3-FITC、IFNγ-PE、CTLA-4-APC、PD-1-APC-eFlour?780、Granzyme B-FITC抗體購(gòu)買于美國(guó)Thermo Fisher公司,抗小鼠Ly6G-PE、CD11b-BUV395、CD3-BV421、NK1.1-BV510、CD4-PE-Cy7抗體購(gòu)買于美國(guó)BD公司,抗小鼠CD16/CD32、F4/80-APC、CD11c-PE-Cy7、Ly6C-FITC、CD45-redFluorTM710抗體及死活染料購(gòu)買于美國(guó)Tonbo公司,引物由北京六合華大基因科技有限公司合成。
原始Hepa1-6小鼠肝癌細(xì)胞系購(gòu)自北京協(xié)和細(xì)胞資源中心。將5×105個(gè)原始Hepa1-6細(xì)胞種植到C57BL/6小鼠皮下,30 d后流式分選荷瘤小鼠瘤內(nèi)腫瘤細(xì)胞,經(jīng)體外培養(yǎng)后獲得一輪馴化細(xì)胞系Hepa1-6-A。將5×105個(gè)Hepa1-6-A細(xì)胞種植到C57BL/6小鼠皮下,30 d后流式分選荷瘤小鼠瘤內(nèi)腫瘤細(xì)胞,經(jīng)體外培養(yǎng)后獲得二輪馴化細(xì)胞系Hepa1-6-B。
將細(xì)胞置于37 ℃、含體積分?jǐn)?shù)0.05 CO2的細(xì)胞培養(yǎng)箱中用含質(zhì)量濃度100 g/L FBS的DMEM培養(yǎng)基培養(yǎng)。待細(xì)胞匯合度達(dá)到90%時(shí),加入胰酶消化。消化2~3 min后顯微鏡下觀察細(xì)胞形態(tài),細(xì)胞呈圓形時(shí)加入等體積含質(zhì)量濃度100 g/L FBS的DMEM培養(yǎng)基終止消化。混勻成單細(xì)胞懸液后轉(zhuǎn)移至離心管,1 000 r/min離心5 min。棄上清液,加入適量含質(zhì)量濃度100 g/L FBS的DMEM培養(yǎng)基重懸沉淀,按1∶2比例傳代培養(yǎng)。培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
通過(guò)QIAGEN RNA提取試劑盒和自動(dòng)核酸提取儀分別提取3種細(xì)胞的RNA,按照反轉(zhuǎn)錄試劑盒提供的標(biāo)準(zhǔn)步驟進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄反應(yīng),獲取cDNA,以cDNA作為模板進(jìn)行qPCR反應(yīng)。以GPDH為內(nèi)參分析目的基因表達(dá)。引物名稱及其序列見表1。
表1 引物名稱及其序列Tab.1 Primer names and sequences
收集處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞,計(jì)數(shù)后制備細(xì)胞懸液(2×108個(gè)/L),接種在96孔板中(0.1 mL/孔),培養(yǎng)4 h待細(xì)胞貼壁后,根據(jù)CCK-8試劑盒說(shuō)明書要求,每孔中加入CCK-8試劑10 μL,繼續(xù)培養(yǎng)4 h后,以酶標(biāo)儀測(cè)定波長(zhǎng)450 nm處的吸光度值,以吸光度值代表細(xì)胞增殖能力。
取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞,胰酶消化成單細(xì)胞懸液,用DMEM培養(yǎng)基洗滌細(xì)胞2次后計(jì)數(shù),于每只小鼠右側(cè)脅部皮下注射0.1 mL細(xì)胞懸液,細(xì)胞數(shù)量為1×106或5×105個(gè),按照注入腫瘤細(xì)胞的不同對(duì)小鼠進(jìn)行分組,Hepa1-6組8只,Hepa1-6-A組10只,Hepa1-6-B組13只,建模后定期觀察各組小鼠的狀態(tài)。
建模當(dāng)天為第0天,從第4天開始,每隔2天用游標(biāo)卡尺測(cè)量小鼠皮下種植腫瘤的長(zhǎng)徑(a)及與之垂直的短徑(b),計(jì)算腫瘤體積(V),V=a×b2/2 mm3,測(cè)量至第16天,繪制腫瘤生長(zhǎng)曲線。建模第16天,小鼠脫頸處死,剖離腫瘤組織,剔除周圍脂肪和結(jié)締組織后進(jìn)行稱量,記錄腫瘤質(zhì)量。
將1.7中剖離的腫瘤組織放至1 mL含1 g/L膠原酶和100 g/L FBS的DMEM培養(yǎng)基之中[5],將腫瘤組織剪碎,并置于37 ℃溫箱中進(jìn)行消化。20 min后吹散組織,吸取少量上清液至培養(yǎng)皿中,置于顯微鏡下觀察消化情況,當(dāng)鏡下出現(xiàn)大量大小不一的細(xì)胞時(shí),則加入1 mL含有100 g/L FBS的 DMEM培養(yǎng)基終止消化。吹散組織,濾網(wǎng)過(guò)濾,在4 ℃下1 526 r/min離心5 min以后棄上清液,加入適量1×紅細(xì)胞裂解液裂解紅細(xì)胞,1 min以后用等體積含100 g/L FBS的DMEM培養(yǎng)基終止紅細(xì)胞裂解,再經(jīng)1 526 r/min離心3 min后,用 PBS洗滌細(xì)胞2次后,棄上清液進(jìn)行后續(xù)流式抗體標(biāo)記。
用Fc-Shield封閉細(xì)胞上的Fc受體,防止后續(xù)熒光素偶聯(lián)抗體與細(xì)胞的非特異性結(jié)合。細(xì)胞與表面標(biāo)記抗體在4 ℃下孵育30 min,按照說(shuō)明書標(biāo)記死活染料,排除死細(xì)胞。對(duì)于需要進(jìn)行胞內(nèi)抗體標(biāo)記的標(biāo)志物叉頭框蛋白P3(Foxp3)、Ⅱ型干擾素(IFNγ)、細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)蛋白4(CTLA-4)和顆粒酶B(Granzyme B),先固定破膜后再加入抗體避光孵育30 min,孵育后用固定破膜Buffer洗滌細(xì)胞,1 526 r/min離心3 min后加0.2 mL Buffer重懸沉淀并轉(zhuǎn)移至流式上樣管。使用BD Fortessa流式細(xì)胞儀對(duì)1.2中所列流式抗體對(duì)應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),用FlowJo軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
采用GraphPad Prism 7和SPSS 23.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,多組間比較采用單因素方差分析(任意兩組間比較采用q檢驗(yàn)),兩組間比較采用t檢驗(yàn),多組不同時(shí)間比較采用重復(fù)測(cè)量設(shè)計(jì)的方差分析,兩變量之間的關(guān)系采用Pearson相關(guān)性分析,以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
qPCR結(jié)果顯示,各組間HK2、BCL-2 mRNA表達(dá)水平比較差異具有顯著性(F=22.557、34.604,P<0.05),與Hepa1-6細(xì)胞相比較,Hepa1-6-A和Hepa1-6-B細(xì)胞中以上基因表達(dá)水平顯著增高(q=6.658~12.327,P<0.05)。此外,各組間的VIM、Twist1、CCNB1和M-CSFmRNA表達(dá)水平比較差異具有顯著性(F=10.897~195.234,P<0.05),與Hepa1-6和Hepa1-6-A細(xì)胞相比,Hepa1-6-B細(xì)胞中以上基因表達(dá)水平均呈顯著增高(q=4.692~22.190,P<0.05)。見表2。
表2 3組細(xì)胞系中各基因表達(dá)水平比較Tab.2 Comparison of gene expression levels between the three groups of cells
CCK8檢測(cè)結(jié)果顯示,Hepa1-6、Hepa1-6-A和Hepa1-6-B細(xì)胞吸光度值分別為1.13±0.08、1.18±0.11、3.43±0.21,組間比較差異具有顯著意義(F=645.459,P<0.05),與Hepa1-6、Hepa1-6-A細(xì)胞相比,Hepa1-6-B細(xì)胞體外增殖能力更強(qiáng)(q=37.585、40.357,P<0.05),Hepa1-6和Hepa1-6-A細(xì)胞的增殖能力比較差異無(wú)顯著性(P>0.05)。
以小劑量腫瘤細(xì)胞(5×105)構(gòu)建Hepa1-6腫瘤模型后,小鼠第6天荷瘤率為0,以大劑量腫瘤細(xì)胞(1×106)構(gòu)建Hepa1-6腫瘤模型后,小鼠第6天荷瘤率可達(dá)90%,而小劑量腫瘤細(xì)胞(5×105)構(gòu)建小鼠Hepa1-6-A、Hepa1-6-B腫瘤模型,小鼠第6天荷瘤率即達(dá)100%。重復(fù)測(cè)量設(shè)計(jì)方差分析結(jié)果顯示,時(shí)間、組別及時(shí)間與組別交互作用對(duì)腫瘤體積具有明顯影響(F時(shí)間=26.977,F(xiàn)組別=127.599,F(xiàn)交互=4.613,P<0.05),Hepa1-6-B組腫瘤生長(zhǎng)從第6天起明顯快于Hepa1-6-A組(F=8.033~43.418,P<0.05)。見表3。Hepa1-6、Hepa1-6-A和Hepa1-6-B組第16天腫瘤質(zhì)量分別為(0.29±0.12)、(0.36±0.20)、(0.72±0.19)g,組間腫瘤質(zhì)量比較差異具有顯著性(F=18.898,P<0.05),Hepa1-6-B組腫瘤質(zhì)量明顯高于Hepa1-6和Hepa1-6-A組(q=6.379、8.099,P<0.05)。
表3 不同時(shí)間點(diǎn)3組細(xì)胞系皮下種植腫瘤體積比較Tab.3 Comparison of the volume of subcutaneously implanted tumor between the three groups of cells at different time points
流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)結(jié)果顯示,與Hepa1-6-A組腫瘤相比,Hepa1-6-B組腫瘤組織中性粒細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞比例比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),單核細(xì)胞比例明顯降低(t=4.032,P<0.05),巨噬細(xì)胞比例明顯升高(t=2.929,P<0.05),發(fā)揮促腫瘤功能的M2型CD163+巨噬細(xì)胞和CD206+巨噬細(xì)胞比例明顯升高(t=2.619、2.870,P<0.05),詳見表4;Pearson相關(guān)性分析顯示,CD163+巨噬細(xì)胞與CD206+巨噬細(xì)胞比例和腫瘤體積呈正相關(guān)(r=0.669、0.736,P<0.05)。
表4 3組細(xì)胞系皮下種植腫瘤浸潤(rùn)髓系細(xì)胞比例比較Tab.4 Comparison of the percentage of tumor-infiltrating myeloid cells in subcutaneously implanted tumor between the three groups of cells
流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)結(jié)果表明,與Hepa1-6-A組相比,Hepa1-6-B組腫瘤組織中CD8+T細(xì)胞功能性標(biāo)志物IFNγ、Granzyme B的表達(dá)水平均顯著降低(t=2.358、3.076,P<0.05),Treg細(xì)胞比例比較差異無(wú)顯著性(P>0.05),但I(xiàn)FNγ+CD8+T/Treg明顯降低(t=2.430,P<0.05)。Hepa1-6-B組腫瘤組織中CD8+T細(xì)胞抑制性標(biāo)志物CTLA-4表達(dá)水平與Hepa1-6-A組比較差異無(wú)顯著性(P>0.05),但程序性死亡受體1(PD-1)表達(dá)水平呈顯著升高(t=3.693,P<0.05)。見表5。無(wú)論是Hepa1-6-A組腫瘤還是Hepa1-6-B組腫瘤,PD-1+CD8+T細(xì)胞比例與腫瘤體積均無(wú)明確相關(guān)性(P>0.05)。
表5 3組細(xì)胞系皮下種植腫瘤浸潤(rùn)淋巴細(xì)胞比例比較Tab.5 Comparison of the percentage of tumor-infiltrating lymphocytes in subcutaneously implanted tumor between the three groups of cells
機(jī)體的免疫系統(tǒng)可以對(duì)腫瘤細(xì)胞發(fā)揮監(jiān)視作用,并對(duì)其進(jìn)行特異性清除,然而當(dāng)腫瘤細(xì)胞在各種因素的作用下逃脫機(jī)體免疫系統(tǒng)的監(jiān)視時(shí),腫瘤的惡性化會(huì)進(jìn)一步加快,從而促進(jìn)腫瘤的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移[6,8]。目前關(guān)于機(jī)體自身因素介導(dǎo)的腫瘤惡性化與免疫抑制性形成的相關(guān)性報(bào)道尚少,同時(shí),腫瘤細(xì)胞惡性化過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的免疫細(xì)胞亞群也未見相關(guān)研究。
本研究通過(guò)構(gòu)建小鼠腫瘤模型誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生惡性化,原始Hepa1-6腫瘤細(xì)胞經(jīng)一輪體內(nèi)建模獲得Hepa1-6-A細(xì)胞系,Hepa1-6-A細(xì)胞系經(jīng)二輪建模獲得Hepa1-6-B細(xì)胞系。糖酵解關(guān)鍵酶HK2的表達(dá)與活性可影響腫瘤細(xì)胞糖酵解,進(jìn)而影響腫瘤細(xì)胞增殖[9-10]。BCL-2可抑制細(xì)胞凋亡,其過(guò)度表達(dá)可以增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞對(duì)大多數(shù)細(xì)胞毒素的抵抗性[11-12]。本研究的結(jié)果顯示,與Hepa1-6細(xì)胞相比較,Hepa1-6-A和Hepa1-6-B細(xì)胞中HK2、BCL-2 mRNA表達(dá)水平均顯著增高,提示體內(nèi)成瘤提升腫瘤細(xì)胞的生存能力。EMT是上皮細(xì)胞來(lái)源的惡性腫瘤細(xì)胞獲得遷移和侵襲能力的重要生物學(xué)過(guò)程,Twist1通過(guò)調(diào)節(jié)間質(zhì)叉頭蛋白1促進(jìn)EMT的發(fā)生[13-14],VIM表達(dá)上調(diào)并通過(guò)改變細(xì)胞形狀和運(yùn)動(dòng)促成EMT[15];CCNB1是在有絲分裂過(guò)程中起調(diào)控作用的周期蛋白[16],并且在原發(fā)性肝癌組織中表達(dá)上調(diào),其mRNA表達(dá)水平是影響肝癌患者總生存期和無(wú)病生存期的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[17]。本研究表明,與Hepa1-6和Hepa1-6-A細(xì)胞相比,Hepa1-6-B細(xì)胞中VIM、Twist1、CCNB1 mRNA表達(dá)水平顯著增高。同時(shí),Hepa1-6-B細(xì)胞體外增殖能力與體內(nèi)成瘤速度均顯著高于Hepa1-6及Hepa1-6-A細(xì)胞。以上數(shù)據(jù)表明,經(jīng)體內(nèi)二次成瘤后,Hepa1-6-B細(xì)胞的惡性程度顯著增強(qiáng)。上述體內(nèi)成瘤介導(dǎo)的腫瘤惡性化反映了相同來(lái)源的腫瘤細(xì)胞在體內(nèi)由低惡性轉(zhuǎn)變?yōu)楦邜盒缘淖匀蛔兓^(guò)程,因此利用該模型有可能從機(jī)體自身角度探討腫瘤細(xì)胞惡性化的機(jī)制。
腫瘤微環(huán)境中免疫細(xì)胞的表型和功能與腫瘤惡性程度直接相關(guān)。單核細(xì)胞可從脈管系統(tǒng)外滲到原發(fā)腫瘤部位,通過(guò)細(xì)胞因子介導(dǎo)的細(xì)胞死亡和吞噬作用直接殺死腫瘤細(xì)胞從而發(fā)揮抗腫瘤作用[7]。微環(huán)境因素同時(shí)促使單核細(xì)胞分化為腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(TAM),繼而形成抗腫瘤型TAM以及促腫瘤型TAM[18],后者通常以CD163或者CD206作為標(biāo)志物[19-21]。本研究結(jié)果顯示,Hepa1-6-B組腫瘤組織中單核細(xì)胞比例明顯降低,巨噬細(xì)胞特別是促腫瘤型CD163+巨噬細(xì)胞和CD206+巨噬細(xì)胞比例顯著增高。更為重要的是,在Hepa1-6-B細(xì)胞腫瘤模型中,CD163+巨噬細(xì)胞和CD206+巨噬細(xì)胞比例與腫瘤體積呈正相關(guān),但在Hepa1-6-A細(xì)胞腫瘤模型中,兩者卻無(wú)明確相關(guān)性。此外,本研究結(jié)果顯示,與Hepa1-6和Hepa1-6-A細(xì)胞相比,Hepa1-6-B細(xì)胞中促進(jìn)巨噬細(xì)胞存活及分化的M-CSFmRNA表達(dá)水平顯著升高[22],初步提示腫瘤細(xì)胞與巨噬細(xì)胞形成的細(xì)胞間動(dòng)態(tài)相互作用環(huán)路可能是影響腫瘤惡性程度的重要因素。
腫瘤抗原經(jīng)抗原提呈細(xì)胞呈遞后,T細(xì)胞成為腫瘤殺傷功能的主要執(zhí)行者[23-25]。本研究結(jié)果表明,Hepa1-6-B腫瘤組織中細(xì)胞毒性IFNγ+CD8+T細(xì)胞、Granzyme B+CD8+T細(xì)胞比例以及IFNγ+CD8+T/Treg均顯著降低,說(shuō)明腫瘤惡性進(jìn)展中CD8+T細(xì)胞逐步喪失活性。PD-1作為免疫檢查點(diǎn)與其配體結(jié)合后抑制CD8+T細(xì)胞增殖、活化和細(xì)胞毒性因子的分泌,促進(jìn)T細(xì)胞耗竭[26-27],其表達(dá)水平是微環(huán)境免疫抑制性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[28-30]。本研究結(jié)果顯示,與Hepa1-6-A組腫瘤組織相比,Hepa1-6-B組腫瘤組織中CD8+T細(xì)胞高表達(dá)PD-1,但無(wú)論是Hepa1-6-A組腫瘤還是Hepa1-6-B組腫瘤,PD-1+CD8+T細(xì)胞比例與腫瘤體積均無(wú)明確相關(guān)性。PD-1表達(dá)的增高可能是腫瘤惡性進(jìn)展的結(jié)果而不是原因,但促腫瘤型CD163+巨噬細(xì)胞和CD206+巨噬細(xì)胞可能是機(jī)體自身因素導(dǎo)致腫瘤惡性化的原因之一。
綜上所述,本研究結(jié)果顯示,經(jīng)二次體內(nèi)成瘤后,Hepa1-6-B腫瘤細(xì)胞惡性相關(guān)基因表達(dá)水平顯著增高,體外增殖能力與體內(nèi)成瘤速度明顯提升,體現(xiàn)出機(jī)體自身因素導(dǎo)致的腫瘤惡性化過(guò)程,在腫瘤惡性化的同時(shí)可增強(qiáng)腫瘤微環(huán)境的免疫抑制性,其中促腫瘤型CD163+巨噬細(xì)胞和CD206+巨噬細(xì)胞與免疫抑制性的形成存在顯著相關(guān)性。后續(xù)還需對(duì)體內(nèi)成瘤介導(dǎo)的腫瘤惡性化的原因及其調(diào)控促腫瘤型CD163+巨噬細(xì)胞和CD206+巨噬細(xì)胞的具體機(jī)制進(jìn)行更深入探究。
利益沖突聲明:所有作者聲明不存在利益沖突。
ConflictsofInterest: All authors disclose no relevant conflicts of interest.
倫理批準(zhǔn)和動(dòng)物權(quán)利聲明:本研究涉及的所有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均已通過(guò)國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心動(dòng)物倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)(文件號(hào)IACUC202002-27-05M)。所有動(dòng)物飼養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程均嚴(yán)格按照3R原則進(jìn)行。
EthicsApprovalandAnimalRight: All experimental animal protocols in this study were reviewed and approved by National Center for Protein Sciences·Beijing (Approval Letter No. IACUC-20200227-05M), and all experimental animal protocols were carried out by following the guidelines of 3R.
作者貢獻(xiàn):徐夕冶、柳迪參與了研究設(shè)計(jì);徐夕冶、柳迪和唐麗參與了論文的寫作和修改。所有作者均閱讀并同意發(fā)表該論文。
Contributions: The study was designed byXUXiyeandLIUDi. The manuscript was drafted and revised byXUXiye,LIUDi, andTANGLi. All the authors have read the last version of the paper and consented submission.