流体动力剪切应力通过下调 ERK 和 GSK3β 活性促进上皮-间充质转化

癌症转移涉及一系列连续的步骤，包括原代肿瘤细胞向肿瘤起始细胞 (TICs) 的上皮-间充质转化 (EMT) 以及它们作为循环肿瘤细胞 (CTCs) 进入血液。在大多数乳腺癌患者中已经检测到 CTCs，它们代表癌症干细胞样细胞 (CSLCs) 或在它们通过血流时捕获的 TICs 。

人们逐渐认识到，肿瘤微环境和癌细胞本身的机械特性在肿瘤进展和转移中都起着重要作用。典型的剪切应力（SS）为静脉循环 1-6 dyne/cm2，动脉循环 15-20 dyne/cm2 。SS 对正常细胞产生显著影响，其对血细胞、内皮细胞、平滑肌细胞和上皮细胞的影响已得到广泛研究。然而，关于 SS 对上皮来源的血管内肿瘤细胞的影响知之甚少。

以此为基点，来自韩国建国大学医学院外科、高丽大学医学院生物化学与分子生物学系等单位的专家学者进行了这方面的合作研究，在 Breast Cancer Research 上发表了题为《Hydrodynamic shear stress promotes epithelial-mesenchymal transition by downregulating ERK and GSK3β activities》的实验论文。

最近的研究表明，对循环造血干细胞 (HSCs) 施加的SS可以触发确定性的造血作用和胚胎形成。由于癌症转移开始于肿瘤细胞进入循环，该团队假设给予肿瘤细胞的流体动力剪切应力 (+SS) 也可以触发压力依赖的转录变化，从而允许 CTCs 转变为 CSLCs/TICs。在这里，实验提供了体内和体外证据，表明上皮肿瘤细胞转化为 CSLCs/TICs 可以发生在血管内，这是由于在系统循环过程中经历了+SS，而无需额外的生长因子或低氧基质生态位。

实验结果：

为了启动癌症的转移性扩散，肿瘤细胞会受到流体剪切力、静水压力和牵张力施加的机械力。首先，该实验假设在全身血液循环期间应用于肿瘤细胞的 SS 可能会触发上皮肿瘤细胞向 TICs 的转变。最终数据表明，在人乳腺肿瘤细胞的全身循环过程中经历的流体SS 可导致间充质干细胞(MSC)样潜能的特异性获得，从而促进上皮-间充质转化（EMT）、间充质-上皮转化（MET）和远处器官的转移。

接下来，实验研究了在血液循环过程中给予SS是否可以在体外模拟诱导MDA-MB231细胞转化为TICs。血液循环过程中的剪切应力可以表现为层流、振荡或流体动力。

通过使用体外流体剪切力装置，模拟了单向稳定流或层流剪切应力 (LSS)。MDA-MB231 细胞暴露于高 LSS (20 dyne/cm 2 ) 导致在悬浮液中的细胞数量略有增加和SS诱导基因的表达（Egr1、Ap1、Epcam）。然而，干性因子（Nanog、Oct4B、Sox2），EMT标志物（N-Cadherin、Twist、Snail1）和上皮标志物（E-Cadherin、Claudin-7、Cytokeratin-8) 均没有显著变化。

此外，还应用双向扰动流来研究振荡剪切应力（OSS） 对CTCs的影响。MDA-MB231 细胞在 5 dyne/cm 2 的OSS下培养24 h，与未在 LSS 下培养的对照细胞相比，显示悬浮细胞数量、SS诱导基因的表达、干性因子和 EMT 标记基因均显著增加。此外，与对照细胞相比，OSS组上皮标志物的表达显著降低。

总之，结果表明，体外反复振荡和悬浮诱导的剪切应力驱动MDA-MB231肿瘤细胞向高球形的TICs转化。

然后，为了进一步证明通过反复振荡和悬浮诱导的+SS 是否促进原发乳腺癌细胞获得 EMT 的可能，从接受辅助化疗的晚期乳腺癌患者的原发部位收集肿瘤细胞 (CT-PC)，并施加 LSS、OSS 和 +SS 进行培养。

结果显示，暴露于 LSS 的 CT-PCs 显示悬浮细胞的数量和 SS 诱导的基因、干性标记或 EMT标记基因的表达略有增加。此外，这些细胞显示上皮标志物（E-Cadherin和Cytokeratin-8) 基因表达轻微下降。

重要的是，与未暴露于OSS的细胞相比，暴露于OSS的CT-PCs的悬浮细胞数量和SS诱导基因、干性因子、EMT标记基因的表达显著增加。此外，这些细胞显示出上皮标志物（E-Cadherin和Cytokeratin-8）基因的表达显着降低。

最终，使用蛋白质印迹分析等表明+SS促使原发乳腺癌细胞转化为CD24 low/CD44 low/CD133 high 的TICs, 并伴随EMT标记物表达升高。

最后，该实验还证明在+SS (CT + SS) 上产生的 CT-PCs 显示出明显增强的体内致瘤性；+SS 下活性氧（ROS）诱导和一氧化氮（NO）诱导的转录变化是 CT-PCs 转化为高度增殖的CT +SS 的关键上游事件；在CT +SS 中 ERK 和 GSK3β 活性的下调对于维持其在 +SS 下的EMT 潜能和致瘤性至关重要。

实验结论：

该实验提供了体内和体外证据表明，从上皮肿瘤细胞转化为特定的高球形CD24 low/CD44 low/CD133 high/CXCR4 high/ALDH1 high的 CSLCs / TICs 可以在体循环过程中经历的流体动力剪切应力下发生，并且这种转化取决于 ROS/NO 的产生和 ERK/GSK3β 的抑制，这一机制与胚胎干细胞中防止其分化同时促进自我更新的机制类似。

该实验数据强调了以前被忽视的“剪切应力”是促进循环肿瘤细胞在血液循环中转化为 CSLCs / TICs 的关键因素，并赋予上皮肿瘤细胞维持自我更新信号通路所需的可塑性。

参考文献：

Choi HY, Yang GM, Dayem AA, Saha SK, Kim K, Yoo Y, Hong K, Kim JH, Yee C, Lee KM, Cho SG. Hydrodynamic shear stress promotes epithelial-mesenchymal transition by downregulating ERK and GSK3β activities. Breast Cancer Res. 2019 Jan 16;21(1):6. doi: 10.1186/s13058-018-1071-2. PMID: 30651129; PMCID: PMC6335853.

原文链接：

https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/30651129/

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